Ce valuri sunt folosite pentru ce? Gama undelor radio și propagarea lor. Proprietăți de propagare a undelor electromagnetice

Dacă Maxwell nu ar fi prezis existența undelor radio, iar Hertz nu le-ar fi descoperit în practică, realitatea noastră ar fi fost cu totul alta. Nu am putut face schimb rapid de informații folosind radiouri și telefoane mobile, nu am putut explora planete și stele îndepărtate folosind radiotelescoape sau nu am putut observa avioane, nave și alte obiecte cu ajutorul radarelor.

Cum ne ajută undele radio în acest sens?

Surse de unde radio

Sursele undelor radio din natură sunt fulgerele - descărcări electrice gigantice în atmosferă, a căror putere de curent poate ajunge la 300 de mii de amperi, iar tensiunea poate ajunge la un miliard de volți. Vedem fulgere în timpul unei furtuni. Apropo, ele apar nu numai pe Pământ. S-au detectat fulgere pe Venus, Saturn, Jupiter, Uranus și alte planete.

Aproape toate corpurile cosmice (stele, planete, asteroizi, comete etc.) sunt, de asemenea, surse naturale de unde radio.

În radiodifuziune, radar, sateliți de comunicații, comunicații fixe și mobile și diverse sisteme de navigație, se folosesc unde radio obținute artificial. Sursa unor astfel de unde sunt generatoarele de înaltă frecvență de vibrații electromagnetice, a căror energie este transmisă în spațiu folosind antene de transmisie.

Proprietățile undelor radio

Undele radio sunt unde electromagnetice a căror frecvență variază de la 3 kHz la 300 GHz și lungimea de la 100 km la 1 mm, respectiv. Când se răspândesc în mediu, se supun anumitor legi. La trecerea de la un mediu la altul, se observă reflexia și refracția. Fenomenele de difracție și interferență sunt și ele inerente.

Difracția sau îndoirea are loc dacă există obstacole în calea undelor radio care sunt mai mici decât lungimea de undă a undei radio. Dacă dimensiunile lor se dovedesc a fi mai mari, atunci undele radio sunt reflectate de ele. Obstacolele pot fi de origine artificială (structuri) sau naturală (copaci, nori).

Undele radio sunt, de asemenea, reflectate de pe suprafața pământului. Mai mult decât atât, suprafața oceanului le reflectă cu aproximativ 50% mai puternic decât pământul.

Dacă obstacolul este un conductor de curent electric, atunci undele radio îi oferă o parte din energia lor și se creează un curent electric în conductor. O parte din energie este cheltuită pe curenți electrici excitanți de pe suprafața Pământului. În plus, undele radio radiază de la antenă în cercuri în direcții diferite, ca undele de la o pietricică aruncată în apă. Din acest motiv, undele radio pierd energie și se atenuează în timp. Și cu cât receptorul de unde radio este mai departe de sursă, cu atât semnalul care ajunge la el este mai slab.

Interferența sau suprapunerea face ca undele radio să se întărească sau să se slăbească reciproc.

Undele radio se deplasează în spațiu cu o viteză egală cu viteza luminii (apropo, lumina este și o undă electromagnetică).

Ca orice unde electromagnetice, undele radio sunt caracterizate prin lungime de undă și frecvență. Frecvența este legată de lungimea de undă după cum urmează:

f = c/ λ ,

Unde f – frecvența undei;

λ - lungimea de unda;

c - viteza luminii.

După cum puteți vedea, cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât frecvența este mai mică.

Undele radio sunt împărțite în următoarele game: ultra-lungi, lungi, medii, scurte, ultra-scurte, milimetrice și decimilimetrice.

Propagarea radio

Undele radio de lungimi diferite nu călătoresc în mod egal în spațiu.

Valuri ultra lungi(lungimi de undă de 10 km sau mai mult) se îndoaie cu ușurință în jurul obstacolelor mari din apropierea suprafeței Pământului și sunt foarte slab absorbite de acesta, astfel încât pierd mai puțină energie decât alte unde radio. În consecință, ele se estompează mult mai încet. Prin urmare, în spațiu astfel de unde se propagă pe distanțe de până la câteva mii de kilometri. Adâncimea pătrunderii lor în mediul înconjurător este foarte mare și sunt folosite pentru comunicarea cu submarinele situate la adâncimi mari, precum și pentru diverse studii de geologie, arheologie și inginerie. Capacitatea undelor ultralungi de a înconjura cu ușurință Pământul face posibilă studierea atmosferei Pământului cu ajutorul lor.

Lung, sau kilometru, valuri(de la 1 km la 10 km, frecvența 300 kHz - 30 kHz) sunt, de asemenea, supuse difracției și, prin urmare, se pot propaga pe distanțe de până la 2.000 km.

In medie, sau hectometru, valuri(de la 100 m la 1 km, frecvența 3000 kHz - 300 kHz) se îndoaie mai rău în jurul obstacolelor de pe suprafața Pământului, sunt absorbite mai puternic și, prin urmare, se atenuează mult mai repede. Se extind pe distanțe de până la 1.000 km.

Unde scurte se comportă diferit. Dacă acordăm un radio auto dintr-un oraș la o undă radio scurtă și începem să ne mișcăm, atunci pe măsură ce ne îndepărtăm de oraș, recepția semnalului radio se va înrăutăți, iar la o distanță de aproximativ 250 km se va opri complet. Cu toate acestea, după ceva timp, transmisia radio va relua. De ce se întâmplă asta?

Chestia este că undele radio cu rază scurtă de acțiune (de la 10 m la 100 m, frecvența 30 MHz - 3 MHz) de la suprafața Pământului se atenuează foarte repede. Cu toate acestea, undele care pleacă la un unghi mare față de orizont sunt reflectate din stratul superior al atmosferei - ionosferă și se întorc înapoi, lăsând în urmă sute de kilometri dintr-o „zonă moartă”. Aceste unde sunt apoi reflectate de pe suprafața pământului și din nou direcționate către ionosferă. Reflectate în mod repetat, ei sunt capabili să încerce globul de mai multe ori. Cu cât unda este mai scurtă, cu atât unghiul de reflexie din ionosferă este mai mare. Dar noaptea ionosfera își pierde reflectivitatea, astfel încât comunicarea pe unde scurte este mai proastă în întuneric.

A unde ultrascurte(lungimi de undă metru, decimetru, centimetri mai scurte de 10 m) nu pot fi reflectate din ionosferă. Răspândindu-se în linie dreaptă, o pătrund și merg mai sus. Această proprietate este folosită pentru a determina coordonatele obiectelor aeriene: avioane, stoluri de păsări, nivelul și densitatea norilor etc. Dar, de asemenea, undele ultrascurte nu se pot îndoi în jurul suprafeței pământului. Datorită faptului că se propagă în linia vizuală, sunt utilizate pentru comunicații radio la o distanță de 150 - 300 km.

În proprietățile lor, undele ultrascurte sunt apropiate de undele luminoase. Dar undele luminoase pot fi colectate într-un fascicul și direcționate către locația dorită. Așa funcționează un reflector și o lanternă. Același lucru este valabil și pentru undele ultrascurte. Acestea sunt colectate cu oglinzi speciale de antenă și un fascicul îngust este trimis în direcția dorită, ceea ce este deosebit de important, de exemplu, în comunicațiile radar sau prin satelit.

Unde milimetrice(de la 1 cm la 1 mm), cele mai scurte unde din domeniul radio, asemănătoare undelor ultrascurte. De asemenea, se răspândesc în linie dreaptă. Dar un obstacol serios pentru ei sunt precipitațiile, ceața și norii. Pe lângă radioastronomie și comunicațiile cu relee radio de mare viteză, ei și-au găsit aplicații în tehnologia cu microunde utilizată în medicină și în viața de zi cu zi.

Submilimetru, sau undele decimilimetrice (de la 1 mm la 0,1 mm), conform clasificării internaționale, aparțin și ele undelor radio. În condiții naturale, ele aproape că nu există. Ele ocupă o parte neglijabil de mică din energia spectrului solar. Ele nu ajung la suprafața Pământului, deoarece sunt absorbite de vaporii de apă și moleculele de oxigen din atmosferă. Create din surse artificiale, sunt folosite în comunicațiile spațiale, pentru a studia atmosferele Pământului și a altor planete. Gradul ridicat de siguranță al acestor unde pentru corpul uman le permite să fie utilizate în medicină pentru scanarea organelor.

Undele submilimetrice sunt numite „valuri ale viitorului”. Este foarte posibil ca acestea să le ofere oamenilor de știință oportunitatea de a studia structura moleculelor de substanțe într-un mod complet nou, iar în viitor, poate, le vor permite chiar să controleze procesele moleculare.

După cum puteți vedea, fiecare gamă de unde radio este utilizată acolo unde caracteristicile propagării sale sunt utilizate pentru a beneficia la maximum.

PROPAGARE A UNDELOR RADIO- procesul de transmitere în spaţiu el-magnetic. oscilații de radiofrecvență (vezi Unde radio).În firesc. condiţiile lui R. r. apare în diferite medii, de exemplu în atmosferă, cosmic plasmă, în stratul de suprafață al Pământului.

Tipare generale propagarea undelor radio. R. viteza în spațiul liber în vid este egal cu c. Energia totală transferată de o undă radio rămâne constantă, iar densitatea fluxului de energie scade odată cu creșterea distanței r de la sursă este invers proporţională r 2. R.r. în alte medii apare cu o viteză de fază diferită de Cu, iar într-un mediu de echilibru este însoțită de absorbția el-magn. energie. Ambele efecte sunt explicate prin excitarea vibrațiilor electronilor și ionilor mediului sub influența electricității. câmpuri de valuri. Dacă intensitatea câmpului E armonios unda este mică în comparație cu intensitatea câmpului care acționează asupra sarcinilor din mediu în sine (de exemplu, asupra unui electron dintr-un atom), atunci oscilațiile apar și ele armonios. legea cu frecvența w a undei sositoare. Electronii oscilanți emit unde radio secundare de aceeași frecvență, dar cu amplitudini și faze diferite. Ca urmare a adăugării undelor secundare cu cea de intrare, se formează o undă rezultată cu o nouă amplitudine și fază. Schimbarea de fază între undele primare și cele reemise duce la o schimbare a vitezei de fază. Pierderile de energie în timpul interacțiunii unei unde cu atomii sunt cauza absorbția undelor radio.

Amplitudinea undei scade cu distanta conform legii si faza undei se modifica conform legii y = w t- (c/s) nr, Unde X- rata de absorbție, n - indicele de refracție; nȘi X depinde de constantă dielectrică e a mediului, conductivitatea lui s și frecvența undei w:

Unde. tangenta de pierderi. Viteza fazei u = Cu/ n, coeficient absorbtie Mediul se comporta ca dielectric, dacă și ca conductor, dacă În primul caz în al doilea - și unda se atenuează pe distanțe - grosimea stratului de piele (vezi. efect asupra pielii). În mediu e c s sunt funcții de frecvență (vezi. Dispersia valurilor). Tipul de dependență de frecvență a lui e și s este determinat de structura mediului. Dispersia undelor radio este deosebit de semnificativă în cazurile în care frecvența undelor este apropiată de proprietățile sale caracteristice. frecvențele mediului (de exemplu, în timpul R. r. în plasma ionosferică și cosmică, vezi mai jos).

Când R. r. în mediile care nu conțin electroni liberi (troposfera, grosimea Pământului), are loc o deplasare a electronilor legați în atomii și moleculele mediului în direcția opusă câmpului de undă. E , în care n > 1, u F< Cu. Într-o plasmă, câmpul de undă determină o deplasare a electronilor liberi în direcție E , în care n < 1 и uФ > с, adică viteza de fază monocromatică. valurile pot fi fie mai mici, fie mai mari Cu. Cu toate acestea, pentru a transmite folosind unde radio to-l. informație (energie), este necesar să existe un semnal radio limitat în timp, care este un anumit set de armonios. valuri Compoziția spectrală a unui semnal depinde de durata și forma acestuia. Semnalul radio se deplasează la viteza grupului u gr. În orice mediu u gr< Cu.

În mediile omogene, undele radio se propagă în linie dreaptă, ca razele de lumină. R. proces în acest caz respectă legile optică geometrică. Cu toate acestea, mediile reale sunt eterogene. În ele P, prin urmare u F sunt diferite în diferite părți ale mediului, ceea ce duce la refracția undelor radio. În cazul neomogenităților netede (pe scara l), aproximarea geom este valabilă. optica. Dacă indicele de refracție depinde doar de înălțime h, măsurată de la suprafața sferică a Pământului, atunci condiția este îndeplinită de-a lungul traiectoriei razei

Relația (2) este legea lui Snell refracție pentru un mediu stratificat sferic. Aici R 0 este raza Pământului, f este unghiul de înclinare a fasciculului față de verticală într-un punct arbitrar al traiectoriei. Dacă în loc de valabil. indicele de refracție ha introduceți indicele de refracție redus

atunci legea refracției (2) va lua forma

Relația (4) se numește Legea refracției lui Snell pentru un mediu stratificat plan.

Dacă n scade odata cu cresterea h, apoi, ca urmare a refracției, fasciculul, pe măsură ce se propagă, se abate de la verticală și la o anumită înălțime h m devine paralelă cu planul orizontal și apoi se răspândește în jos (Fig. 1, a). Max. înălţime h m, prin care fasciculul poate pătrunde într-un mediu stratificat plan neomogen, depinde de unghiul de incidență f 0 și este determinat din condiția

Orez. 1. A- refracția undelor radio într-un mediu stratificat plan cu grad n< 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h.

Spre regiune h > h m razele nu pătrund, iar, conform aproximării geometrice. optică, câmpul de undă din această regiune ar trebui să fie egal cu 0. De fapt, în apropierea planului h = h m câmpul de undă crește și când h > h m scade exponențial (Fig. 1, b). Încălcarea legilor geografice. optica la R. r. legat de asemenea de difracția undelor, ca urmare a tăierii, undele radio pot pătrunde în zona geometrică. umbre. La granița regiunii geom. În umbră, se formează o distribuție complexă a câmpurilor de unde. undele radio apar atunci când există obstacole în calea lor (corpi opace sau translucide) și sunt deosebit de semnificative în cazurile în care dimensiunea obstacolelor este comparabilă cu l.

Dacă R. r. apare în apropierea unei granițe clare (pe o scară l) între două medii cu diferite. electric proprietăți (de exemplu, atmosfera - suprafața Pământului sau troposfera - limita inferioară a ionosferei pentru unde suficient de lungi), apoi când undele radio cad pe o limită ascuțită, se formează unde radio reflectate și refractate (transmise). Dacă reflectarea are loc de la limita unui mediu conductor (de exemplu, din stratul de suprafață al Pământului), atunci adâncimea de penetrare în acesta este determinată de grosimea stratului de piele.

În medii eterogene este posibil propagarea undelor ghidate, cu care fluxul de energie este localizat între cele definite. suprafețe, datorită cărora câmpurile de undă dintre ele scad cu distanța mai lent decât într-un mediu omogen (atm. ghid de undă). În mediile cu neomogenități netede, localizarea este asociată cu refracția, iar în cazul limitelor ascuțite, cu reflexia.

Într-un mediu care conține neomogenități locale aleatorii, undele secundare sunt emise aleatoriu în direcții diferite. directii. Undele împrăștiate transportă parțial energia undei originale, ceea ce duce la slăbirea acesteia. La împrăștiere pe neomogenități de mărime l l (așa-numita împrăștiere Rayleigh; vezi Difuzia luminii) undele împrăștiate se propagă aproape izotrop. În cazul împrăștierii prin neomogenități transparente la scară mare, undele împrăștiate se propagă în direcții apropiate de unda originală. Când eu! l are loc o puternică împrăștiere rezonantă.

Influența suprafeței Pământului asupra propagării undelor radio este definită ca electrică. parametrii e și s ai solurilor și spațiilor de apă care formează scoarța terestră și structura suprafeței Pământului, adică curbura și eterogenitatea acesteia. R. r. este un proces care acoperă o zonă mare de spațiu, dar cel mai mult. creaturi rol în R. r. joacă o regiune delimitată de o suprafață în formă de elipsoid de revoluție, la focarele căreia AȘi B pe distanta r se află emițătorul și receptorul (calea radio, Fig. 2). Axa majoră a elipsoidului este egală cu axa mică determinată de dimensiunile primului Zona Fresnelși Lățimea traseului scade pe măsură ce l scade. Dacă înălţimile z 1 și z 2, pe care antenele emițătorului și receptorului sunt situate deasupra suprafeței Pământului, sunt mari în comparație cu l, atunci elipsoidul nu atinge suprafața Pământului și nu afectează R.R. (Fig. 2, A). Când ambele sau unul dintre punctele finale ale căii radio scade (sau lungimea de undă crește), suprafața Pământului intersectează elipsoidul. În acest caz, pe R.r. au o influență electrică. parametrii ariei suprafeței Pământului limitate de o elipsă în secțiune transversală extinsă de-a lungul traseului. Dacă condițiile sunt menținute la punctul de recepție, aceasta are loc între undele directe și cele reflectate (vezi. Interferența undelor).Amplitudinea si faza undei reflectate sunt determinate tinand cont Formule Fresnel pentru coeficient reflexii. Maximele și minimele de interferență determină structura lobului câmpului, care este caracteristică undelor radio decametre și mai scurte. Dacă z 1/l< 1 и z 2/l< 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r+ l(p/4) și

Orez. 2. O regiune elipsoidală a spațiului, esențială pentru propagarea undelor radio (cale radio); A- emitator; ÎN- receptor.

Reducerea intensității câmpului și, prin urmare, a fluxului de energie transferat de o undă radio de-a lungul suprafeței Pământului ( val de pământ), se datorează conductivității suprafeței din această regiune. La P.p. Un flux de energie apare de-a lungul suprafeței conductoare, direcționat în mediul conducător și se descompune rapid pe măsură ce se răspândește prin acesta. Adâncimea de penetrare a undelor radio în scoarța terestră este determinată de grosimea stratului de piele și prin urmare crește odată cu creșterea lungimii de undă. Prin urmare, undele radio lungi și ultralungi sunt utilizate pentru comunicațiile radio subterane și subacvatice.

Orez. 3. Raza liniei de vedere r limitat de convexitatea suprafeței pământului; R 0 - raza Pământului, z 1, și z 2, - înălțimi de transmisie și recepție ÎN antenele în consecință.

Convexitatea suprafeței pământului limitează distanța de la punctul receptor ÎN emițătorul este vizibil A(zona liniei de vedere, Fig. 3). Cu toate acestea, undele radio, care se îndoaie în jurul Pământului ca rezultat al difracției, pot pătrunde în regiunea umbră pe o distanță mai mare ( R 0 - raza Pământului). În practică, numai undele kilometrice și mai lungi pot pătrunde în această regiune datorită difracției (Fig. 4).

Orez. 4. Grafic care ilustrează relația dintre intervale r propagare de la valoarea W = 20lg|E/E * | , Unde E- intensitatea câmpului undei radio în condiții reale de propagare, ținând cont de curba în jurul convexității suprafeței pământului (emițătorul este situat pe suprafața pământului); E * - intensitatea câmpului pentru frecvențe diferite fără a lua în considerare difracția.

Viteza de fază a undelor pământului în apropierea emițătorului depinde de puterea electrică. proprietăți. Cu toate acestea, la o distanță de mai multe. l de la emițătorul u f! Cu. Dacă undele radio se propagă prin electricitate suprafață neuniformă, de ex. mai întâi pe uscat și apoi peste mare, apoi când linia de coastă nu este tăiată, amplitudinea și direcția râului se schimbă brusc. (refracția malului, Fig. 5).

Orez. 5. Modificarea intensității câmpului electric al unui val la traversarea liniei de coastă.

Influența reliefului suprafeței pământului asupra fluviului. depinde de înălțimea denivelărilor h, întinderea lor orizontală l, l și unghiul q de incidență a undelor pe suprafață. Dacă denivelările sunt suficient de mici și destul de blânde, asta kh cosq< < 1 (k- numărul de undă), și așa-numitul criteriul Rayleigh k 2 l 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 „perturbez” câmpul de undă, formând zone umbrite. Difracția undelor radio de către crestele montane duce uneori la amplificarea undelor directe și reflectate. Vârful muntelui servește ca un natural repetitor. Acest lucru este semnificativ atunci când undele radio contorului se propagă în zonele muntoase (Fig. 6).

Propagarea undelor radio în troposferă. Tropopauza este o regiune a atmosferei situată între suprafața Pământului și tropopauză, în care temperatura aerului scade de obicei odată cu înălțimea (în tropopauză, temperatura crește odată cu înălțimea). Înălțimea tropopauzei pe glob nu este aceeași; deasupra ecuatorului este mai mare decât deasupra polilor, iar la latitudinile mijlocii, unde există un sistem de vânturi puternice de vest, se schimbă brusc. Troposfera este formată dintr-un amestec de molecule neutre și atomi de gaze care formează aerul uscat și vaporii de apă. Constanta dielectrică și, prin urmare, indicele de refracție al unui gaz care nu conține electroni și ioni liberi, este cauzată de câmpurile suplimentare create de deplasarea electronilor în molecule (aer uscat) și de orientarea moleculelor polare (vapori de apă) sub influența energiei electrice. câmpuri de valuri.

Indicele de refracție al troposferei

Unde p- presiunea aerului uscat, e- presiunea vaporilor de apă în milibari, T- temp-pa. Indicele de refracție nu depinde de frecvență și diferă foarte puțin de unitate. Astfel, la suprafața Pământului, odată cu creșterea altitudinii, parametrii se schimbă r, t, e, care determină valoarea indicilor de refracție. În condiții meteorologice normale. condiții, indicele de refracție scade odată cu înălțimea:

Aceasta duce la curbura traseului razelor. Pentru a estima corect poziția razei față de suprafața Pământului, este necesar să se țină cont de sfericitatea suprafeței sale, ceea ce se poate face prin introducerea indicelui de refracție dat (3):

diferit de grad n nu numai abdominale. ca amploare, dar si ca semn. În condiții de refracție troposferică normală grad n pr > 0. În acest caz, fasciculul care iese din emițător ridicat deasupra solului în unghi față de verticală se apropie de acesta pe măsură ce se propagă. Când razele se propagă în direcția valorilor descrescătoare n etc. În acest caz, în funcție de valorile lui f 0, fasciculul poate ajunge la suprafața Pământului și poate fi reflectat de acesta, atinge punctul de cotitură determinat din condiția (5) și la o anumită valoare a unghiului f 0 punctul de cotitură se poate afla pe suprafața Pământului. În acest caz, traiectoria razelor este limita dintre zona în care pot pătrunde razele și zona de umbră. Refracția troposferică normală mărește zona liniei de vedere.

Meteorologic condiţiile fiinţelor. influențează modificarea indicelui de refracție, adică refracția undelor radio. De obicei, în troposferă, presiunea aerului și temperatura scad odată cu altitudinea, iar presiunea vaporilor de apă crește. În anumite condiții meteorologice. conditii, de ex. când aerul încălzit pe uscat se deplasează pe suprafața mai rece a mării, temperatura aerului crește odată cu înălțimea, iar presiunea vaporilor de apă scade (inversarea temperaturii și umidității). În acest caz, indicele de refracție nu se modifică monoton cu înălțimea, adică. dn etc /dh la o anumită înălțime semnul se poate schimba. Dacă în intervalul de înălțime determinat de grosimea stratului de inversare, atunci grad n n.p.<0. В плоскослоистой среде с grad n 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 schimbă semnul, apar condiții pentru propagarea ghidului de undă (Fig. 7). În ghidurile de undă troposferice, de regulă, undele cu l< 1 м.

Orez. 7. Traiectorii VHF într-un ghid de undă troposferic.

Absorbția undelor radio în troposferă este neglijabilă pentru toate undele radio până la intervalul de centimetri. Absorbția undelor centimetrice și mai scurte crește brusc atunci când frecvența undei w coincide cu una dintre frecvențele naturale. frecvențele de vibrație ale moleculelor de aer (absorbție rezonantă). Moleculele primesc energie din valul de intrare, care este transformată în căldură și este doar parțial transferată undelor secundare. Sunt cunoscute un număr de linii de absorbție rezonante în troposferă: l = 1,35 cm, 1,5 cm, 0,75 cm (absorbție în vapori de apă) și l = 0,5 cm, 0,25 cm (absorbție în oxigen). Între liniile de rezonanță se află zone cu absorbție mai slabă (ferestre de transparență).

Atenuarea undelor radio poate fi cauzată și de împrăștiere prin neomogenități care apar în timpul mișcării turbulente a maselor de aer (vezi. Turbulenţă).Imprăștirea crește brusc atunci când neomogenitățile picăturilor sub formă de ploaie, zăpadă și ceață sunt prezente în aer. Imprăștirea Rayleigh aproape izotropă pe neomogenități la scară mică face posibilă comunicarea radio la distanțe semnificativ mai mari decât linia vizuală (Fig. 8). Astfel, troposfera influențează semnificativ propagarea VHF. Pentru undele decametre și mai lungi, troposfera este aproape transparentă, iar propagarea lor este influențată de suprafața pământului și de straturile superioare ale atmosferei.

Orez. 8. Imprăștierea undelor radio prin neomogenități la scară mică.

Propagarea undelor radio în ionosferă. Ionosfera se formează în partea de sus. straturi ale atmosferei terestre, în care gazele sunt ionizate parțial (până la 1%) sub influența UV și a razelor X. și radiația solară corpusculară. Ionosfera este neutră din punct de vedere electric, conține un număr egal de pozitive. si nega. particule, adică este plasmă. Suficient de mare, influențând râul R., începe la o altitudine de 60 km (stratul D), crește până la o înălțime de 300-400 km, formând straturi E.F 1 , F 2 și apoi scade încet. În cap. concentrația maximă de electroni N ajunge la 10 6 cm -3. Dependenta N de la înălțime se modifică în funcție de ora zilei, anul, activitatea solară, precum și latitudinea și longitudinea. Ionizat stratul cuprins între 200 şi 400 km este format în principal dintr-un număr egal de ioni O + și electroni. Aceste particule sunt scufundate într-un gaz neutru cu o concentrație de 10 8 cm -3, constând în principal. din particulele O2, O, N2 şi He.

Într-o plasmă multicomponentă care conține electroni, ioni și molecule neutre și impregnată de magnetism. Câmpul Pământului (vezi magnetism terestru), pot apărea diferite diferențe. tipuri de proprietate vibratii cu frecvente diferite. De exemplu, frecvențele plasmatice (Langmuir) ale electronilor și ionilor giromagnetici. frecvențele electronilor și ionilor unde m, M- mase de electroni și ioni, e- taxa lor, N- concentrare, H 0- tensiune magnetică câmpuri ale Pământului. Pentru că atunci. De exemplu, pentru electroni = 1,4 MHz, iar pentru ionii atomici de oxigen = 54 Hz.

În funcție de frecvența w a undei radio, principal. rol în R. r. joacă anumite tipuri de proprietăți. vibratii, deci electrice. Proprietățile ionosferei sunt diferite pentru diferite părți ale domeniului radio. La w mare, ionii nu au timp să urmărească schimbările câmpului din R.R. Doar electronii iau parte. Oscilațiile forțate ale electronilor liberi ai ionosferei apar în antifază cu forța care acționează și provoacă polarizarea plasmei în direcția opusă celei electrice. câmpul de undă E. Prin urmare, dielectricul. permeabilitatea ionosferică e< 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Luând în considerare ciocnirile electronilor cu atomii și ionii, oferă formule mai precise pentru ionosfera e și s:

Aici v este efect. frecvența de coliziune. Pentru unde decametre și mai scurte în majoritatea ionosferei și indicilor de refracție h iar absorbțiile sunt aproximativ egale:

Deoarece h< 1, viteza de fază R.r. UV = = s/n > s, viteza grupului u gr = s/n< с .

Absorbția în ionosferă este proporțională. v, deoarece cu cât numărul de ciocniri este mai mare, cu atât mai mare parte a energiei primite de electron din unde se transformă în căldură. Prin urmare, absorbția este mai mare în partea inferioară. zone ale ionosferei (stratul D), unde v este mai mare deoarece densitatea gazului este mai mare. Pe măsură ce frecvența crește, absorbția scade. Undele scurte au o absorbție slabă și se propagă pe distanțe lungi.

Refracția undelor radio în ionosferă. Doar undele radio cu o frecvență w > w 0 se propagă în ionosferă. La 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 n= 0. În inferior părți ale ionosferei, concentrația de electroni și w 0 cresc odată cu înălțimea, prin urmare, odată cu creșterea w, unda trimisă de pe Pământ pătrunde din ce în ce mai adânc în ionosferă. Max. frecvența unei unde radio care este reflectată de stratul ionosferic în timpul incidenței verticale, numită critic frecvența stratului:

Critic frecvența stratului F 2 (vârf maxim) variază pe parcursul zilei și anului într-un interval larg (de la 3-5 la 10 MHz). Pentru valuri cu indicele de refracție nu dispare și o undă incidentă vertical trece prin ionosferă fără a fi reflectată.

Când o undă este incidentă oblic pe ionosferă, are loc refracția, ca în troposferă. În partea de jos parte a ionosferei gradM -1, adică grad și traiectoria fasciculului deviază spre Pământ (Fig. 9). O undă radio incidentă pe ionosferă la un unghi f 0 se întoarce spre Pământ la o altitudine h, pentru care este îndeplinită condiția (5). Max. frecvența undei reflectate de ionosferă atunci când incidentă la un unghi (adică pentru o anumită distanță de cale) este egală cu ceea ce se numește frecvența maximă aplicabilă (MUF). Valuri cu reflectate din ionosferă, se întorc pe Pământ, care este folosit pentru comunicații radio la distanță lungă.

Orez. 9. Reprezentarea schematică a razelor radio de o anumită frecvență la diferite unghiuri de incidență pe ionosferă.

Orez. 10. Propagarea undelor scurte între Pământ și ionosferă: A- traiectorie multi-hop; b- traiectorie de alunecare.

Datorită sfericității Pământului, unghiul f 0 este limitat, iar raza de comunicare cu o singură reflexie din ionosferă este de 3500-4000 km. Comunicarea pe distanțe lungi se realizează în detrimentul mai multor. secvenţial reflexii din ionosferă și Pământ („sări”, Fig. 10, A). Sunt posibile, de asemenea, traiectorii de ghid de undă mai complexe, care apar din cauza gradientului orizontal N sau împrăștiere pe neomogenități ale ionosferei în timpul R. r. cu frecvenţa w> w MUF. Ca urmare a împrăștierii, unghiul de incidență al fasciculului pe strat F 2 se dovedește a fi mai mare decât la propagarea normală. Fascicul experimentează o serie de consecutive. reflexii din strat F 2 până când cade într-o zonă cu un astfel de gradient N, care va provoca reflectarea unei părți din energie înapoi către Pământ (Fig. 10, b).

Influența câmpului magnetic al Pământului N 0 . În mag. camp N 0 pentru un electron care se deplasează cu viteză u , valabil forța Lorentz sub influența tăieturii se rotește în cerc într-un plan perpendicular pe N 0 , cu giromagnetic frecvența w H. Traiectoria fiecărei sarcini. particule - o spirală cu o axă de-a lungul N 0 . Acțiunea forței Lorentz duce la o schimbare a naturii oscilațiilor forțate ale electronilor sub influența electricității. câmp de undă și, prin urmare, la o schimbare a puterii electrice. proprietățile mediului. Ca urmare, ionosfera devine un mediu girotrop anizotrop, electric. proprietăţile tăieturii depind de direcţia râului. și sunt descrise nu prin mărimea scalară e, ci prin tensorul dielectric. permeabilitate Un val incident pe un asemenea mediu de experiențe birefringenta,T. e. se împarte în două unde, care diferă ca viteză și direcție de propagare, absorbție și polarizare. Dacă direcția lui R. este r. atunci unda incidentă poate fi imaginată ca suma a două unde polarizate liniar. Pentru primul val „extraordinar” ( e)natura mișcării forțate a electronilor sub influența câmpului de undă E modificări (apare o componentă de accelerație, perpendiculară pe E) și prin urmare se modifică P. Pentru al doilea val „obișnuit” ( O) mișcarea forțată rămâne aceeași ca și fără câmp N 0 (forța Lorentz este 0). Pentru aceste două unde (ignorând ciocnirile), pătratele indicilor de refracție sunt egale

Când R. r. de-a lungul

În acest din urmă caz, ambele unde au polarizare circulară, iar unda „extraordinară” are un vector E se rotește în sensul de rotație al electronului, în timp ce cel „obișnuit” se rotește în sens opus. Cu direcția arbitrară a lui R. r. (față de Н) polarizarea undelor normale este eliptică.

Potrivit lui R. r. în ionosferă, defazarea dintre unde crește și polarizarea undei totale se modifică. De exemplu, cu P.p. de-a lungul N 0 aceasta duce la rotirea planului de polarizare ( Efectul Faraday), iar cu R. r. perpendicular N 0 - la periodic alternarea polarizărilor liniare și circulare (vezi. Bumbac - efect Mouton), Deoarece indicii de refracție ai undelor sunt diferiți, ele sunt reflectate la diferite înălțimi (Fig. 11). Direcția k la R.r. în ionosferă poate diferi de u gr.

Orez. unsprezece. Divizarea undelor radio are ca rezultat ionosferă.

Unde de joasă frecvență în ionosferă. De bază O parte din energia undelor radio de joasă frecvență practic nu pătrunde în ionosferă. Valurile sunt reflectate din partea de jos. limite (în timpul zilei - datorită refracției puternice în D-strat, noaptea - din E-strat, ca de la granița a două medii cu electrice diferite proprietăți). Propagarea acestor unde este bine descrisă de model, conform căruia Pământul și ionosfera omogen și izotrop formează un ghid de undă de suprafață cu forme sferice ascuțite. ziduri, în care apare R. r.. Acest model explică scăderea observată a câmpului cu distanța și creșterea amplitudinii câmpului cu înălțimea. Acesta din urmă este asociat cu alunecarea undelor de-a lungul suprafeței concave a ghidului de undă, ceea ce duce la un fel de „focalizare” a câmpului. Acest fenomen este similar cu efectul de „galerie șoaptă” descoperit de Rayleigh în acustică. Amplitudinea undelor radio crește semnificativ în punctul antipodal al Pământului în raport cu sursa. Acest lucru se explică prin adăugarea undelor radio care înconjoară Pământul în toate direcțiile și converg pe partea opusă.

Influenta magnetica Câmpul Pământului determină o serie de caracteristici ale propagării undelor de joasă frecvență în ionosferă: undele ultralungi pot ieși din ghidul de undă de suprafață dincolo de ionosferă, propagăndu-se de-a lungul liniilor câmpului geomagnetic. câmpuri între punctele conjugate AȘi ÎN Pământ (Fig. 12). Din formula (8) reiese clar că atunci când în cazul propagării longitudinale nu se întoarce la 0 nicăieri, adică unda trece prin ionosferă fără reflectare. În atmosfera de noapte apropierea lui geom. optica este perturbată și transmisia parțială are loc la orice unghi de incidență. Fulgera · în atmosferă – naturală. sursa undelor LF. În intervalul 1-10 kHz duc la formarea așa-numitului. fluierând atmosferice, care se propagă în modul indicat și creează un semnal cu un fluier caracteristic la ieșirea receptorului.

Orez. 12.

Când R. r. Frecvențele infrasonice cu vibrațiile ionilor w " W H joacă un rol important, ionosfera se comportă ca un fluid neutru conducător, a cărui mișcare este descrisă prin ecuații hidrodinamică magnetică. În ionosferă sunt posibile mai multe propagari. tipuri de magnetohidrodinamice. valuri, în special Valuri Alfven, propagandu-se de-a lungul geomagneticului câmpuri cu viteză caracteristică (unde r este densitatea gazului) și undele magnetozonice, care se propagă izotrop (cum ar fi sunetul).

Efectele neliniare în timpul propagării undelor radio în ionosferă apar deja pentru undele radio de intensitate relativ scăzută și sunt asociate cu o încălcare a dependenței liniare a polarizării mediului de energia electrică. câmpurile de undă (vezi Optică neliniară) Neliniaritatea „on-heat” joacă un rol major. rol când dimensiunile caracteristice electrice perturbate câmpul regiunii plasmei este de multe ori mai mare decât calea liberă medie a electronilor. Deoarece calea liberă a electronilor într-o plasmă este semnificativă, electronul reușește să primească energie vizibilă din câmp în timpul unei alergări. Transferul de energie în timpul ciocnirilor de la electroni la ioni, atomi și molecule este dificil din cauza diferenței mari a maselor lor. Ca rezultat, electronii din plasmă devin puternic „încălziți” deja într-un curent electric relativ slab. câmp care modifică eff. frecvența de coliziune. Prin urmare, b și s ale plasmei devin dependente de câmp E valuri și R. r. devine neliniar. Dielectric „perturbare”. permeabilitate

Unde este câmpul caracteristic „plasmă”, T - plasma temp-pa, d - avg. fracțiunea de energie pierdută de un electron în timpul unei coliziuni cu o particulă grea este frecvența de coliziune.

Astfel, efectele neliniare devin vizibile atunci când câmpul de undă E comparabil cu E p, care, în funcție de frecvența undei și de regiunea ionosferei, este de ~10 -4 -10 -1 V/cm.

Efectele neliniare se pot manifesta ca auto-interacțiunea unui val și ca interacțiunea undelor între ele. Auto-interacțiunea unei unde puternice duce la o schimbare a adâncimii de absorbție și modulare a acesteia. Absorbția unei unde radio puternice depinde neliniar de amplitudinea acesteia. Frecvența de coliziune v cu creșterea temperaturii electronilor poate fie să crească (în straturile inferioare, unde ciocnirile cu particule neutre joacă rolul principal), fie să scadă (în coliziunile cu ionii). În primul caz, absorbția crește brusc odată cu creșterea puterii undei („saturarea” câmpului în plasmă). În al doilea caz, absorbția scade (adică, strălucirea plasmei pentru o undă radio puternică). Datorită modificării neliniare a absorbției, amplitudinea undei depinde neliniar de amplitudinea câmpului incident, deci modulația acestuia este distorsionată (automodulația și demodularea undei). Schimbare hîn câmpul unei unde puternice duce la distorsiunea traiectoriei fasciculului. Când se propagă fascicule de unde radio îngust direcționate, acest lucru poate duce la auto-focalizarea fasciculului într-un mod similar auto-focalizarea luminiiși la formarea unui canal de ghid de undă în plasmă.

Interacțiunea undelor în condiții neliniare duce la o încălcare principiul suprapuneriiÎn special, dacă o undă puternică cu frecvența w 1 este modulată în amplitudine, atunci din cauza unei modificări a absorbției această modulație poate fi transferată la o altă undă cu frecvența w 2 care trece în aceeași regiune a ionosferei (Fig. 13). fenomenul se numește modulare încrucișată sau Efectul Luxemburg-Gorky, are practic valoare pentru radiodifuziunea în intervalul mediu. valuri

Orez. 13. Modulația încrucișată ionosferică are loc în regiunea în care fasciculele se intersectează.

Încălzirea ionosferei în câmpul unei unde puternice în domeniul HF poate provoca paralizie termică. instabilitatea în ionosferă duce la o absorbție anormal de mare a emisiilor radio și stratificarea plasmei (vezi. rezonanță parametrică). În zonă puternic alungit de-a lungul N 0 eterogenitatea ionosferei (cu o scară longitudinală de 1 km, transversală - 0,5100 m), care sunt promițătoare pentru comunicațiile la distanță lungă în domeniul VHF. În domeniul undelor radio foarte puternice, electronii devin atât de fierbinți încât apare șocul electric. defalcarea gazelor.

Dacă dimensiunile regiunii plasmei perturbate de câmpul de undă sunt mult mai mici decât calea liberă medie a electronilor, neliniaritatea încălzirii devine slabă. Acest lucru se întâmplă cu impulsuri scurte și fascicule înguste de unde radio. În acest caz, principalul rolul este jucat de așa-numitul neliniaritatea strictă datorită faptului că alternarea neomogenă electric Câmpul de undă exercită presiune asupra electronilor, determinând comprimarea plasmei. Concentrația de electroni N, și prin urmare e și s devin dependenți de amplitudinea câmpului. Neliniaritatea strictă duce la o schimbare a dielectricului. permeabilitate mai puțină încălzire se modifică cu mai multe. ordine de mărime (la aceeași putere a valurilor). Neliniaritatea strictă joacă un rol important în parametrii instabilitatea ionosferei.

Propagarea undelor radio în condiții de spațiu. Cu excepția planetelor și a împrejurimilor lor imediate, b. O parte a materiei din Univers este ionizată. Parametrii de spațiu plasmele variază foarte mult. De exemplu, concentrația electronilor și ionilor în apropierea orbitei Pământului este de ~1-10 cm -3, în ionosfera lui Jupiter ~10 5 cm -3, în coroana solară ~10 8 cm -3, în interiorul stelelor ~10 27 cm -3. Din spatiu spațiu un spectru larg de radiații electromagnetice ajunge pe Pământ. unde, care în drumul lor din spațiu trebuie să treacă prin ionosferă și troposferă. Undele de două tipuri principale se propagă prin atmosfera Pământului fără atenuare vizibilă. intervale de frecvență: „fereastră radio” corespunde intervalului de la critică ionosferică. frecvențe w kr la frecvențe de absorbție puternică de către aerosoli și gaze atmosferice (10 MHz - 20 GHz), „fereastra optică” acoperă gama de radiații vizibile și IR (1-10 3 THz). Atmosfera este, de asemenea, parțial transparentă în domeniul de frecvență joasă (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

In spatiu condițiile, sursa undelor radio și receptorul lor se mișcă adesea rapid unul față de celălalt. Ca urmare efectul Doppler aceasta duce la o modificare în w cu , unde u- relatează. viteză. Frecvență redusă la ștergerea corespondenților ( tura roșie) este caracteristică radiației galaxiilor îndepărtate care se îndepărtează de noi. Undele radio în spațiu. plasma sunt supuse refracției asociate cu eterogenitatea mediului (Fig. 14). De exemplu, din cauza refracției din atmosfera Pământului, sursa undelor radio este vizibilă mai sus deasupra orizontului decât în ​​realitate. Pentru a determina distanța până la pulsari și atunci când se interpretează rezultatele Soarelui și planetelor, este necesar să se țină cont de faptul că în cosmice plasmă

Orez. 14. Traiectorii razelor radio cu l = 5 m în coroana solară.

Posibilitati de comunicare radio cu obiecte situate in spatiu. spațiu sau pe alte planete, sunt diverse și asociate cu prezența și structura atmosferelor lor. Daca spatiu plasma se află într-un câmp magnetic. câmp (magnetosfera lui Jupiter, regiuni ale petelor solare, magnetosfere pulsare), atunci este un mediu girotrop, precum ionosfera Pământului. Pentru toate planetele cu atmosferă, dificultatea generală a comunicării radio este aceea de la intrarea în spațiu. Când dispozitivul este introdus în straturile dense ale atmosferei, se creează o înveliș de plasmă dens în jurul lui, ceea ce face dificilă trecerea undelor radio. Pe planete precum Mercur și Luna, care nu au practic nicio atmosferă sau ionosferă, pe R.R. Doar suprafața planetei este afectată. Din cauza lipsei de reflexie din ionosferă, raza de comunicare de-a lungul suprafeței unei astfel de planete este mică (Fig. 15) și poate fi mărită doar prin retransmisie prin satelit.

Orez. 15. Dependența de gamă r comunicații radio pe suprafața Lunii de la frecvența w/2p.

Propagarea undelor radio de diferite game. Undele radio cu frecvențe foarte joase (3-30 kHz) și joase (30-300 kHz) se îndoaie în jurul suprafeței pământului datorită propagării și difracției ghidului de undă, pătrund relativ slab în ionosferă și sunt puțin absorbite de aceasta. Ele se caracterizează prin stabilitate ridicată de fază și capacitatea de a acoperi uniform zone mari, inclusiv regiuni polare. Acest lucru face posibilă utilizarea lor pentru comunicații radio stabile și pentru navigație radio cu rază lungă și ultra-lungă, în ciuda nivelului ridicat de atm. interferență Banda de frecvență de la 150 la 300 kHz este utilizată pentru emisiile radio. Un număr mare de geofizică. cercetarea se realizează prin observarea semnalelor naturale. origine, care sunt generate, de exemplu, de descărcări de fulgere și particule de radiații. centuri ale Pământului. Dificultățile în utilizarea acestui interval de frecvență se datorează volumului sistemelor de antene cu niveluri ridicate de ATM. interferenţă, cu relativă viteză limitată de transfer de informații.

Undele medii (300-3000 kHz) se propagă de-a lungul suprafeței Pământului în timpul zilei (sol, sau direct, val). Practic nu există undă reflectată din ionosferă, deoarece undele sunt puternic absorbite D-stratul ionosferei. Noaptea din cauza lipsei radiației solare D-stratul dispare, apare o unda ionosferica, reflectata din E-strat, iar intervalul de recepție crește. Adăugarea undelor directe și reflectate implică o variabilitate puternică a câmpului, astfel încât unda ionosferică este o sursă de interferență pentru mulți. servicii care utilizează propagarea undelor de sol. mier. undele sunt utilizate pentru radiodifuziune, comunicații radiotelegrafice și radiotelefonice și radionavigație.

Undele scurte (3-30 MHz) sunt slab absorbite D- Și E-straturi si sunt reflectate din Jupuitor, când frecvențele lor eșampl. Ca rezultat al reflectării lor din ionosferă, comunicarea atât pe distanțe scurte, cât și pe distanțe lungi este posibilă cu niveluri de putere a transmițătorului mult mai mici și antene mult mai simple decât în ​​benzile de frecvență mai joase. Această gamă este utilizată pentru comunicații radiotelefonice și radiotelegrafice, radiodifuziune, precum și pentru comunicații radio amatori. O caracteristică a comunicațiilor radio în acest interval este prezența decolorării semnalului din cauza modificărilor condițiilor de reflexie din ionosferă și interferențe. efecte. Liniile de comunicație HF sunt supuse influenței atm. interferență Furtunile ionosferice provoacă întreruperi de comunicare.

Pentru frecvente foarte inalte si VHF (30 - 1000 MHz), predomina R. r.. în interiorul troposferei și pătrunderea prin ionosferă. Rolul valului de sol este în scădere. Câmpurile de interferență din partea de joasă frecvență a acestui interval pot fi încă determinate de reflexiile din ionosferă, iar până la o frecvență de 60 MHz, împrăștierea ionosferică continuă să joace un rol. rol. Toate tipurile de radar, cu excepția împrăștierii troposferice, fac posibilă transmiterea de semnale cu o lățime de bandă de mai multe frecvențe. MHz. În această parte a spectrului, transmisia audio de foarte înaltă calitate este posibilă la o rază de 50-100 km. Emisiunile radio cu modulație de frecvență funcționează la frecvențe în jur de 100 MHz.

Televiziunea este difuzată în același interval de frecvență. de difuzare. Mai multe au fost alocate pentru radioastronomie. benzi spectrale înguste, care sunt utilizate și pentru aplicații spațiale. comunicații, radar, meteorologie, în plus, pentru comunicații de amatori.

Undele UHF și microunde (1000-10.000 MHz) se propagă în principal. în raza vizuală și se caracterizează prin niveluri scăzute de zgomot. În acest interval la R. r. zonele max cunoscute joacă un rol. absorbția și frecvența radiațiilor chimice. elemente (de exemplu, linii de hidrogen aproape de 1420 MHz). În această gamă se află sistemele de comunicații în bandă largă multicanal pentru transmisie telefonică și televiziune. semnale. Directivitate ridicată a antenelor permite utilizarea unor niveluri scăzute de putere în sistemele de relee radio, iar împrăștierea troposferică asigură o rază radio de ~ 800 km. Această gamă este utilizată în radionavigație. și radar Servicii Pentru radioastronomie Observațiile au identificat benzi de frecvență pentru hidrogenul atomic, radicalul OH și radiația continuă. In spatiu banda de frecventa radiocomunicatii ~ 1000-10.000 MHz - max. o parte importantă a spectrului radio.

Undele cu microunde (>10 GHz) se deplasează numai în raza vizuală. Există mai multe pierderi în acest interval. mai mare decât la frecvențe mai mici, iar valoarea lor este puternic influențată de cantitatea de precipitații. Creșterea pierderilor la aceste frecvențe este parțial compensată de eficiența crescută a sistemelor de antene. Microundele sunt folosite în radare, radionavigație și meteorologie. Frecvențele pot fi utilizate pe liniile de comunicație dintre suprafața Pământului și spațiu< 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.

Lit.: Dolukhanov M.P., Propagarea undelor radio, ed. a IV-a, M., 1972; Brekhovskikh L.M., Waves in layered media, ed. a 2-a, M., 1973; Ginzburg V.L., Propagarea undelor electromagnetice în plasmă, ed. a II-a, M., 1967; Tatarsky V.I., Propagarea undelor într-o atmosferă turbulentă, M., 1967; Fok V. A., Probleme de difracție și propagare a undelor electromagnetice, M., 1970; Gurevich A.V., Shvartsburg A.B., Teoria neliniară a propagării undelor radio în ionosferă, M., 1973; Zheleznyakov V.V., Unde electromagnetice în plasma spațială, M., 1977.

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

În acest articol vă vom spune despre undele radio și proprietățile propagării lor.

Mulți oameni, care nu au cunoștințe de bază despre tipurile de energie și proprietățile lor, vorbesc adesea despre metode de transmitere fără fir a energiei la distanțe. Alții, neștiind cum se propagă undele radio, fac antene pentru emițătoarele și receptorii radio lor, încercând să atingă caracteristici maxime de transmisie și recepție, dar nu reușesc. Unii citesc cărți inteligente, în timp ce alții se bazează pe experiență sau pe sfaturile unui prieten analfabet. Pentru a risipi cel puțin unele dintre concepțiile greșite și pentru a oferi o idee despre undele electromagnetice și tipul lor - undele radio, acest articol este dedicat.

Ca de obicei, nu voi descrie formulele lui Maxwell, Faraday și alți oameni de știință celebri. Există un număr foarte mare de ele în manualele de fizică, lecturi care, chiar și eu, care am educație și experiență în radioelectronica, nu înțeleg de ce aceste manuale conțin formule abstruse, dar lipsesc cele mai simple informații de valoare practică utilă? La urma urmei, a doua zi sau săptămâna următoare după absolvire, studentul nu își va aminti aceste formule și nu va cunoaște concepte simple, așa cum nu le cunoștea.

Să începem cu faptul că marele inventator și practicant al mașinilor electrice, Nikola Tesla, a folosit în mod activ oscilațiile electromagnetice în experimentele sale, despre care nimeni nu știa înainte și, așa cum știm acum din manualele de fizică din liceu, acestea generează un tip de electromagnetică. unde - unde radio. Dar repet, pe vremea lui Tesla nimeni nu știa despre existența undelor electromagnetice. Intuitiv, prin observații, Tesla a înțeles că, în urma experimentelor sale, în spațiul înconjurător a apărut un fel de energie. Dar în acele zile nu exista o astfel de știință și echipament care să ne permită să dezvăluim conceptul undelor electromagnetice. Prin urmare, acest fenomen a fost considerat o categorie filozofică, pe care Tesla a numit-o - eter.

În zilele noastre, ei susțin că „eterul” și undele electromagnetice sunt concepte diferite. Ele sunt complet greșite doar pentru că absolut toate invențiile lui Tesla se bazează pe utilizarea curentului electric alternativ obișnuit și a câmpurilor electromagnetice, care la rândul lor nu generează „eter”, ci cele mai obișnuite unde electromagnetice din domeniul de frecvență radio. Este ceea ce se numește în prezent unde electromagnetice pe care Nikola Tesla a numit eter în acele zile. Nu pot exista alte explicații. Puteți argumenta mult timp că acestea sunt concepte diferite. De exemplu, cineva face spumă la gură încercând să demonstreze că viteza de propagare a eterului este mai mare decât viteza luminii, dar nu există nicio bază de dovezi. Cu ajutorul ce experiment Nikola Tesla ar putea măsura viteza eterului? Nu există nicăieri astfel de informații. Există o singură concluzie: nu a măsurat-o, ci doar și-a asumat-o. Veți spune că eterul poartă energie? Răspunsul meu este că orice undă electromagnetică transportă energie! Am dat peste circuite practice pentru receptoare radio fără baterii, concepute să nu funcționeze cu căști sau cu un cap dinamic, ci să primească curent electric direct „din aer” de către acei locuitori ai megaorașelor care locuiesc lângă centre puternice de televiziune și radio.

– oscilatie electromagnetica sinusoidala in spatiu. Abrevierea general acceptată este EMV. O undă electromagnetică este lumină, raze de căldură în domeniul infraroșu invizibil, raze X și unde radio. Singura diferență este puterea vibrației și lungimea de undă. În special, Tesla s-a ocupat de undele radio. De fapt, el este inventatorul radioului, și nu Marconi și Popov. Aceștia din urmă au putut să descrie undele radio, motiv pentru care sunt considerați inventatorii radioului. Tesla a fost un descoperitor, dar la acea vreme nu avea explicații științifice, care au apărut mult mai târziu cu Popov și Marconi. În plus, au folosit unde radio în scopuri practice utile. Tesla, la un moment dat, a scris despre transferul unui semnal de informații folosind un transmițător și un receptor, dar fiind dus de fulger, pur și simplu nu a avut timp să inventeze dispozitivele lor practice. O întrebare rezonabilă este, ce vibrează în undele electromagnetice? O să răspund, fără să aprofundez prea mult în fizica nucleară, aceștia sunt fotoni - cheaguri de energie care au un câmp electromagnetic, dar nu au masă. Aceste proprietăți sunt cele care permit fotonilor să fie purtători de energie. Oamenii de știință nucleari continuă să „descompună” fotonii în elementele lor constitutive. Nu vom continua această linie de gândire, le dorim succes, pentru că nu acesta este subiectul articolului. Dacă sunteți împotriva gândirii că „eterul” sunt unde electromagnetice, atunci încercați să acceptați că „eterul” este fotoni, iar undele electromagnetice sunt, în esență, un flux direcționat de fotoni.

Sursa unde radio poate fi orice conductor electric în care se mișcă curent electric alternativ. În practică, sursa unei unde radio este un generator de înaltă frecvență, a cărui energie vibrațională se propagă în spațiu printr-o antenă radio. Prima sursă de operare a oscilațiilor radio, inventată de om și folosită cu succes evident și rațional, a fost un radio emițător-receptor radio Marconi (sau Popov), folosind ca generator de înaltă frecvență un dispozitiv de stocare de înaltă tensiune cu eclator conectat. la o antenă - un vibrator Hertz obișnuit.

Circuit emițător și receptor Popov-Marconi

Proprietăți de propagare a undelor electromagnetice

Domeniul de propagare a undelor electromagnetice depinde de frecvența de oscilație a curentului electric alternativ (oscilație electromagnetică). La frecvențe de la unități la mii de Herți, corespunzătoare domeniului undelor audio, o undă electromagnetică creată în spațiu folosind inductanță se propagă pe o distanță care nu depășește una până la două zeci de metri și, prin urmare, nu are nicio aplicație practică utilă. La frecvențe de sute de kiloherți și mai mari, care corespund intervalelor de unde radio, o undă electromagnetică se poate propaga pe mii de kilometri.

Domeniul de propagare a undei electromagnetice depinde și de puterea curentului care trece prin conductor. După cum sa menționat mai devreme, o undă electromagnetică de joasă frecvență nu are o aplicație practică utilă, dar are un efect dăunător. Un exemplu de influență dăunătoare este influența unei linii electrice de înaltă tensiune (PTL) cu o tensiune de câteva zeci de mii de volți pe radioul unei mașini care trece. În jurul firelor de înaltă tensiune se formează un câmp electromagnetic puternic, care depășește semnificativ în amplitudine oscilațiile electromagnetice ale stațiilor radio la distanță și în receptor, în locul stației radio, se aude un zumzet de joasă frecvență al tensiunii de la rețea. Un alt caz este atunci când receptorul radio este „blocat” lângă liniile de alimentare cu o tensiune de rețea de numai 380 de volți, dar un curent de peste 100 de amperi. În primul caz avem o tensiune mare, iar în al doilea avem un curent mare. Dintr-un manual de fizică de liceu se știe că puterea curentului electric dintr-un conductor este legată de tensiune și curent prin expresia Р=U*I. Și cu cât puterea este mai mare, cu atât se propaga mai mult câmpul electromagnetic și, în consecință, unda electromagnetică generată de câmpul electromagnetic. Aceasta explică influența puterii asupra domeniului de propagare.

De ce unda despre care se scrie aici este numită electromagnetică? Deoarece constă dintr-o oscilație sinusoidală electrică și magnetică. Aceste două tipuri de vibrații sunt orientate în spațiu unul față de celălalt perpendicular - exact 90 de grade.
Când unda electrică este „orizontală” - orientată paralel cu linia orizontului, iar unda magnetică este în mod corespunzător „verticală” - orientată perpendicular pe linia orizontului, atunci se spune că unda electromagnetică are polarizare liniară orizontală.

Când unda electrică este „verticală” - orientată perpendicular pe linia orizontului, iar unda magnetică este în mod corespunzător „orizontală” - orientată paralel cu linia orizontului, atunci se spune că unda electromagnetică are polarizare liniară verticală.

Dacă o undă electrică (și, prin urmare, o undă magnetică) are o înclinare față de linia orizontului - unghiul nu este egal cu zero sau 90 de grade, atunci se spune că unda electromagnetică are polarizare liniară oblică.

Există, de asemenea, un alt tip de polarizare utilizat pentru a crește raza de transmisie (recepție) și o imunitate mai bună la zgomot a echipamentelor de recepție radio - polarizare circulară- un tip de polarizare a undei electromagnetice, în care în timpul unei perioade de oscilație electromagnetică unda radio face o rotație completă de 360 ​​de grade. Un tip de polarizare circulară este polarizare eliptică— polarizare circulară „aplatizată” într-unul din planuri.

Toate aceste tipuri de polarizare sunt determinate de proiectarea și orientarea antenei radio.

Importanța practică a polarizării constă în faptul că, dacă emițătorul radio și receptorul radio sunt reglate la aceeași frecvență, dar au polarizare diferită, de exemplu, emițătorul are polarizare verticală și receptorul are polarizare orizontală, atunci comunicarea radio va fi slabă. sau nu va exista deloc polarizare.

Un exemplu de utilizare a polarizării luminii ca tip de oscilație electromagnetică este cinematograful 3D. Principiul de funcționare al sistemelor de imagini video 3D se bazează pe următoarele: Filmul este filmat folosind camere de film (camere video) separate în spațiu, ca doi ochi umani. Când este prezentat într-un cinema, două proiectoare independente sunt acoperite cu filtre polarizante; exact aceleași filtre sub formă de filme sunt în ochelarii cinefililor. Proiectorul drept și ochiul drept al privitorului sunt acoperite cu un filtru cu polarizare verticală, iar proiectorul și ochiul stâng sunt acoperite cu un filtru cu polarizare orizontală. Astfel, ochiul drept vede imaginea de la proiectorul drept, iar ochiul stâng din stânga. Alte opțiuni pentru separarea undelor luminoase pot fi folosite ca filtre, dar nu despre asta este vorba în articol; polarizarea luminii este una dintre modalitățile de selectare a undelor electromagnetice.

Undele electromagnetice (undele radio) se deplasează în diferite medii la viteze diferite. Viteza undelor radio în vid este aproximativ egală cu viteza luminii 300.000 km/sec. În aer, undele radio se deplasează cu o viteză ceva mai mică, dar nu cu mult, așa că se acceptă aceeași cifră - 300.000 km/sec. Deoarece apa obișnuită este conducătoare de electricitate, suprafața sa este un reflector pentru undele radio, iar o parte din energia undelor radio este cheltuită pentru încălzirea straturilor de suprafață ale apei. Un exemplu tipic în acest sens este un cuptor cu microunde, care încălzește moleculele de apă conținute în alimentele care sunt încălzite. Metalele nu transmit unde radio, reflectând toată energia vibrațiilor electromagnetice.

La fel de importante sunt proprietățile de propagare ale undelor radio în funcție de lungimea lor de undă. Permiteți-mi să vă reamintesc că lungimea unei unde electromagnetice este legată de frecvența oscilațiilor prin viteza de propagare a acesteia în vid (viteza luminii):

Unde: f- frecvență, λ - lungimea de unda, Cu– viteza luminii egala cu 300.000 km/sec.

Undele radio sunt împărțite în mai multe intervale:

„SDV” foarte lung– frecventa 3 – 30 kHz, cu o lungime de unda de 100 – 10 km;

„DV” lung– frecventa 30 – 300 kHz, cu o lungime de unda de 10 – 1 km;

„SV” mediu– frecventa 300 – 3000 kHz, cu o lungime de unda de 1000 – 100 metri;

Scurt „HF”– frecventa 3 – 30 MHz, cu o lungime de unda de 100 – 10 metri;

Ultrascurt „VHF”, inclusiv:

- metru "MV"– frecventa 30 – 300 MHz, cu lungimea de unda de 10 – 1 metru;

- decimetru "DMV"– frecventa 300 – 3000 MHz, cu lungimea de unda de 10 – 1 dm;

- centimetru "SMV"– frecventa 3 – 30 GHz, cu lungimea de unda de 10 – 1 cm;

- milimetru "MMV"– frecventa 30 – 300 GHz, cu lungimea de unda de 10 – 1 mm;

- submilimetru "SMMV"– frecventa 300 – 6000 GHz, cu lungimea de unda de 1 – 0,05 mm;

Intervalele de la unde decimetrice la unde milimetrice sunt numite frecvențe ultraînalte datorită frecvențelor lor foarte înalte. "Cuptor cu microunde".

Desigur, toate intervalele de unde radio enumerate, atât domestice, cât și burgheze, pot fi împărțite în sub-benzi.

Pentru a transmite informații, o undă radio trebuie să fie modulată cu un semnal care conține informații. Undele lungi, medii și scurte au de obicei modulație de amplitudine, care în engleză sună - modulație de amplitudine "A.M". Undele ultrascurte au de obicei modulație de frecvență, care în engleză sună ca - modulația de frecvență, iar în rândul burgheziei sunt desemnați ca - "FM"(potrivit nostru "Cupa Mondială").

Pe lângă împărțirea undelor radio în intervale, este necesar să adăugăm că, în funcție de direcția și căile de propagare ale undelor radio, acestea sunt superficial(terestră) (1) – se propagă de-a lungul suprafeței pământului de la emițătorul radio la receptor, fără a utiliza straturile superioare ale atmosferei și spațială(2) – propagandu-se prin straturile superioare ale atmosferei si cu reflexie din ionosfera (3).

Există un concept conform căruia, cu cât lungimea de undă este mai mare (frecvența mai mică), cu atât este mai capabil să se aplece în jurul obstacolelor. Și invers, cu cât lungimea de undă este mai mică (frecvența mai mare), cu atât unda radio se propagă mai rectiliniu (mai bine în linie dreaptă).

Undele lungi sunt capabile să se propagă de-a lungul suprafeței pământului și apei, dar abia ajung în ionosferă. Această proprietate este folosită pentru a organiza comunicarea cu navele maritime - comunicarea este disponibilă aproape oriunde în mare.

Undele medii se propagă de-a lungul suprafeței pământului și apei și sunt, de asemenea, reflectate de ionosferă.

Undele scurte se propagă în „sărituri”, reflectându-se periodic din ionosferă și suprafața pământului.

Undele ultrascurte și frecvențele mai înalte călătoresc drept, ca lumina din orice sursă de lumină; nu se pot îndoi de-a lungul globului, iar ionosfera este transparentă pentru ele.

Un exemplu simplu de utilizare a razei de undă lungă este comunicarea radio cu submarinele. Pentru a nu fi observat de inamic la contactarea comandamentului flotei, barca iese la suprafata pentru un timp foarte scurt. Dar dacă undele obișnuiau să comunice cu un submarin s-ar propaga în „sărituri”, atunci nu ar exista comunicare nicăieri în lume. Dar, în practică, indiferent unde din lume iese la suprafață barca, legătura apare imediat. Desigur, recent, odată cu dezvoltarea tehnologiei, submarinele folosesc diverse benzi, inclusiv comunicațiile spațiale (prin sateliți de comunicații) în intervalul de microunde.

Un exemplu de utilizare a undelor radio în intervalele VHF, UHF și UHF este radarul cu impulsuri, unde proprietatea de propagare rectilinie a undelor radio în aceste intervale este utilizată pentru a determina cu precizie coordonatele spațiale ale aeronavelor, stolurilor de păsări și ale altor obiecte aeropurtate. . Se efectuează chiar și recunoașterea vremii - nivelul și intensitatea norilor pe distanțe lungi.

De la același dispozitiv de transmisie radio, undele radio reflectate de pe suprafața pământului se pot întâlni cu unde nereflectate sau unde reflectate din altă parte a suprafeței pământului sau straturile superioare ale atmosferei. În acest caz, ce se întâmplă adăugarea în fază a undelor radio, sau scăderea antifază. Ca rezultat, se formează un model robust în planul vertical al spațiului. modelul de radiație cosecant antene. În timpul reflecției în fază a undelor radio de pe suprafața pământului, în aceste zone se formează zone de reflexie maximă - Zone Fresnel. Dacă transmițătorul radio are o antenă omnidirecțională (de exemplu, un bici), atunci zonele Fresnel vor consta din multe inele pe suprafața pământului de diferite diametre, în centrul cărora se află antena. Diametrul inelelor poate fi de la zeci de metri la câțiva kilometri.

Pentru erudiția ta: înainte de agresiunea militară din Iugoslavia, americanii acordau o mare importanță rachetelor antiradar ca mijloc de distrugere a radarelor inamice. O rachetă anti-radar are un cap radio de orientare care ghidează racheta către un semnal radar. Dar după această operațiune de menținere a păcii a lor de a transforma Iugoslavia într-un stat marionetă, au început să se rearmeze cu rachete cu capete de orientare termică. S-a dovedit că capetele de orientare ale rachetelor anti-radar vizau zonele Fresnel, care se schimbă tot timpul pentru un radar rotativ, drept urmare computerul de rachetă nu a determinat corect coordonatele radarului și în cel mai bun mod. caz, racheta a căzut într-una din zonele Fresnel. Astfel, un radar cu unde metru achiziționat de la Uniunea Sovietică încă din anii 80 a oferit în mod fiabil apărării aeriene iugoslave informații despre zborurile americane pentru mai mult de 50 de zile de război. Cu ajutorul lui, mai mult de un avion minune furtiv al Stars and Stripes a fost doborât. Și la televizor, ca de obicei, au mințit că americanii nu suferă pierderi.

Obstacolele au o influență puternică asupra propagării undelor radio. De regulă, obstacolele au o proprietate reflectivă. Diferite obiecte de origine naturală și artificială pot acționa ca obstacole. După cum am scris mai devreme, undele radio sunt reflectate de pe suprafața pământului. Este de remarcat faptul că, dacă solul este foarte uscat (de exemplu în deșert), atunci reflectarea undelor radio este mult mai rea decât atunci când solul este umed de ploaie. Astfel, distanța de comunicație a aceluiași echipament de comunicație pe mare este cu 50-70% mai mare decât pe uscat. Copacii și norii reflectă undele radio. Obstacolele naturale enumerate sunt reflectoare bune deoarece conțin apă. Obstacolele artificiale care reflectă undele radio includ diferite structuri metalice, inclusiv armăturile clădirilor și structurilor.

Influența tipului de antenă utilizat asupra calității și direcției de recepție (emisie) undelor radio

Unde și cum se va propaga unda radio este determinat de dimensiunea și forma antenei emițătorului de unde radio. Cea mai simplă antenă radio este Vibrator Hertz. Acesta este un „cub” elementar, care stă la baza construirii tuturor tipurilor de antene.

Un vibrator Hertz este doi conductori care diverg în direcții opuse față de „punctul de conectare la energie”. În centrul său, acesta este un circuit oscilator „desfăcut”. Pentru o radiație mai bună a unui semnal radio, distanța de la capătul unui conductor până la capătul celuilalt trebuie să fie egală cu jumătate din lungimea de undă a oscilației electromagnetice emise (sau recepționate). Acest lucru este necesar pentru ca la capetele vibratorului să existe o diferență de potențial maximă a tensiunii semnalului, iar în centrul vibratorului să existe o amplitudine maximă a curentului. Adevărat, este necesar să se folosească un factor de scurtare, care ia în considerare viteza de propagare a semnalului electric de-a lungul suprafeței conductorilor, care este mult mai mică decât în ​​vid. În funcție de frecvența semnalului și de metalul din care este fabricat vibratorul, coeficientul de scurtare poate varia de la 0,65 la 0,85. Adică, vibratorul trebuie să fie egal cu jumătate din lungimea de undă înmulțită cu factorul de scurtare.

Pentru a reduce dimensiunea antenei, se folosește uneori un vibrator cu o lungime egală cu un sfert din lungimea de undă. Se pot folosi și alte rapoarte, dar, în același timp, se modifică calitatea recepției (transmisiei) și proprietățile direcționale ale antenei.

Modelul de radiație al unui vibrator cu jumătate de undă are forma toroid de rotație- forma gogoasa. Dacă vibratorul este poziționat orizontal față de sol, atunci zonele maxime de recepție (transmisie) vor fi pe o linie perpendiculară pe vibrator, iar zonele minime de recepție vor fi pe laturile de capăt ale vibratorului. Dar rețineți că acest lucru nu ține cont de influența reflexiei de la sol. Dacă luăm în considerare influența reflexiei de pe suprafața pământului, proiecția modelului de radiație antenei (APP) al vibratorului va fi ușor alungită în direcțiile maximelor.
Figura prezintă un toroid de rotație și o proiecție a modelului de radiație al antenei pe o suprafață orizontală, ținând cont de influența pământului.

- acesta este un vibrator Hertz modificat, în care pinul în sine este folosit ca un conductor, iar cealaltă contragreutate este o bucată de sârmă care atârnă în jos, o persoană care ține un walkie-talkie mobil sau suprafața pământului. Modelul de radiație al unei antene bici este același cu un toroid situat într-o zonă orizontală, doar datorită reflectării de la sol toroidul este aplatizat de jos. Zona maximă de recepție va fi în toate direcțiile, iar zona minimă de recepție va fi deasupra vibratorului cu știft. Zona minimă de recepție situată deasupra antenei se numește - zonă moartă, sau pâlnie moartă.

În funcție de raportul dintre lungimea antenei bici și lungimea de undă, se modifică și modelul de radiație al antenei în plan vertical. Figura arată schematic influența raportului dintre lungimea pinului și lungimea de undă asupra formării modelului de radiație al antenei în plan vertical.

Amintiți-vă de importanța practică a polarizării undelor electromagnetice - dacă emițătorul radio și receptorul radio sunt reglate la aceeași frecvență, dar au polarizare diferită, de exemplu, emițătorul are polarizare verticală, iar receptorul are polarizare orizontală, atunci comunicația radio va fi slabă . La aceasta, merită adăugat modelul de radiație al antenei bici și apoi, folosind exemplul a două radiotelefoane - stații radio portabile (1 și 2) prezentate în figura de mai jos, se poate face o concluzie logică:

Dacă antenele emițătorului radio și receptorului radio sunt orientate în spațiu față de orizont în același mod și modelele de radiație ale antenelor sunt îndreptate unul către celălalt cu maximele lor, atunci comunicarea va fi cea mai bună. Dacă una dintre condițiile specificate nu este îndeplinită, atunci fie nu va exista nicio conexiune, fie va fi slabă.

Raza de comunicare radio este afectată și de un alt parametru - grosimea elementelor vibratoare; cu cât este mai mare, cu atât antena este mai mare. mai multă bandă largă– gama de frecvențe bine primite este mai largă, dar nivelul semnalului la aproape toate frecvențele scade. Acest lucru se datorează faptului că o antenă dipol este același circuit oscilator, iar când banda de frecvență a răspunsului în frecvență de rezonanță se extinde, amplitudinea rezonanței scade. Prin urmare, nu vă mirați că o antenă de televiziune realizată din cutii de bere din aluminiu într-un oraș în care nivelul de semnal al turnului de televiziune este ridicat primește un semnal de televiziune de la diferite canale, nu mai rău și adesea mai bun decât o antenă profesională complexă.

Antenele radio profesionale bune au următorul indicator: recepție semnal. La urma urmei, un vibrator obișnuit cu jumătate de undă nu amplifică semnalul; acțiunea sa este selectivă - la o anumită frecvență, în anumite direcții și o anumită polarizare. Pentru a avea mai puține interferențe în receptor, creșteți intervalul de transmisie și recepție și, în același timp, restrângeți modelul de radiație al antenei (nume comun - jos), un vibrator simplu cu jumătate de undă nu este potrivit. Antena devine din ce în ce mai complicată.

Mai devreme, am scris despre influența diferitelor obstacole - proprietatea lor reflexivă. Dacă dimensiunea obstacolului nu este comparabilă (cu un ordin de mărime mai mic) cu lungimea undei radio, atunci acesta nu este un obstacol pentru semnalul radio; nu îl afectează în niciun fel. Dacă un obstacol se află într-un plan paralel cu unda electrică și este mai lung decât lungimea de undă, atunci acel obstacol reflectă unda radio. Dacă lungimea obstacolului este un multiplu (egal cu un sfert, jumătate sau întreg) al lungimii de undă, orientat paralel cu unda electrică și perpendicular pe direcția de propagare a undei, atunci acest obstacol acționează ca un circuit oscilator rezonant la întreaga lungime de undă sau armonicile sale și are cele mai mari proprietăți reflectorizante.

Aceste proprietăți descrise mai sus sunt folosite în antenele complexe. Deci, una dintre opțiunile pentru îmbunătățirea proprietăților de recepție ale antenei este instalarea unui suplimentar reflector(reflector), al cărui principiu de funcționare se bazează pe reflectarea unei unde radio și adăugarea în fază a două semnale - de la centrul de televiziune (TC) și de la reflector. În același timp, modelul de radiații se îngustează și se întinde. Figura prezintă o antenă formată dintr-un vibrator buclă semi-undă (1) și un reflector (2). Lungimea vibratorului (A) a acestei antene de televiziune este aleasă egală cu jumătate din lungimea de undă a canalului de televiziune mediu, înmulțită cu factorul de scurtare. Lungimea reflectorului (B) este selectată egală cu jumătate din lungimea de undă a canalului de televiziune minim (cu lungimea de undă maximă). Distanța dintre vibrator și reflector (C) este selectată astfel încât semnalul direct și reflectat să fie adăugat în fază - jumătate din lungimea de undă.

Următorul mod de a îmbunătăți și mai mult semnalul de recepție prin îngustarea și întinderea fundului este adăugarea unui vibrator pasiv - directori. Principiul de funcționare este încă aceeași adăugare în fază. În același timp, modelul de radiații se îngustează și se întinde și mai mult. Imaginea prezintă o antenă "canal de unde", constând dintr-un reflector (1), un vibrator buclă semi-undă (2) și un director (3). Adăugarea ulterioară a directorilor îngustează și prelungește și mai mult modelul direcțional. Lungimea directorilor (B) este aleasă puțin mai mică decât lungimea vibratorului activ. Pentru a crește câștigul antenei și banda largă a acesteia, directorii sunt adăugați în fața vibratorului activ cu o scădere treptată a lungimii lor. Rețineți că lungimea vibratorului activ este egală cu jumătate din lungimea medie de undă a semnalului primit, lungimea reflectorului este mai mult de jumătate din lungimea de undă, iar lungimea directorului este mai mică de jumătate din lungimea de undă. Distanța dintre elemente este, de asemenea, aleasă să fie aproximativ jumătate din lungimea de undă.

În tehnologia profesională, o metodă este adesea folosită pentru a îngusta fundul și a crește proprietățile de amplificare ale antenei - antenă cu matrice fază, în care mai multe antene sunt conectate în paralel (de exemplu, dipoli simpli sau antene „canal de undă”). Ca urmare, se adaugă curenții canalelor adiacente și, ca urmare, puterea semnalului crește.

La frecvențe ultraînalte, un ghid de undă este folosit ca vibrator de antenă și o foaie solidă este folosită ca reflector, toate punctele fiind echidistante de planul vibratorului (la aceeași distanță) - paraboloid al revoluției, sau în limbajul comun – „farfurie”. O astfel de antenă are un model de radiație foarte îngust și un câștig mare de antenă.

Concluzii bazate pe propagarea și complexitatea formării undelor radio

Cum și unde se propagă undele radio poate fi calculat folosind formule și transformări inteligente numai pentru condiții ideale - în absența obstacolelor naturale. Pentru a face acest lucru, elementele de antenă și diferitele suprafețe trebuie să fie perfect plane. În practică, datorită influenței multor factori de refracție și reflexie, niciun „creier științific” nu a putut încă să calculeze cu mare fiabilitate propagarea undelor radio în condiții naturale. Există zone de spațiu cu recepție fiabilă și zone de umbră radio - unde nu există deloc recepție. Numai în filme alpiniștii nu răspund la apeluri prin radio pentru că mâinile lor sunt ocupate sau ei înșiși sunt ocupați „să salveze lumea”; de fapt, comunicarea radio nu este o afacere stabilă și, de cele mai multe ori, alpiniștii nu răspund pentru că există pur și simplu nicio conexiune - nu există trecerea undelor radio. Dependența comunicațiilor radio de fenomenele naturale (ploaie, nori de jos, atmosferă rarefiată etc.) a condus la apariția conceptului. "radioamator". Acesta este acum conceptul de „radioamator” - o persoană căreia îi place să lideze circuitele radio. În urmă cu aproximativ douăzeci de ani, era un „semnalizator cu undă scurtă” care, folosind un transceiver de mică putere fabricat de el însuși, comunica cu un alt radioamator (sau, cu alte cuvinte, un corespondent radio) situat de cealaltă parte a Pământului, pentru care a primit „bonusuri”. În trecut, au existat chiar și concursuri radio. În zilele noastre se realizează și ele, dar odată cu dezvoltarea tehnologiei acest lucru a devenit mai puțin relevant. Printre acești semnalizatori radio amatori, sunt mulți care sunt nemulțumiți de faptul că „payali” obișnuiți care nu stau cu căștile în căutarea corespondenților radio pentru a organiza schimburi radio se numesc radioamatori.

Manualele de fizică conțin formule abstruse pe tema intervalelor de unde radio, care uneori nu sunt pe deplin înțelese chiar și pentru persoanele cu educație specială și experiență de muncă. În acest articol vom încerca să înțelegem esența fără a recurge la complicații. Prima persoană care a descoperit undele radio a fost Nikola Tesla. Pe vremea lui, unde nu existau echipamente high-tech, Tesla nu înțelegea pe deplin ce este acest fenomen, pe care l-a numit mai târziu eter. Un conductor care transportă un curent electric alternativ este originea unei unde radio.

Surse de unde radio

Sursele naturale de unde radio includ obiectele astronomice și fulgerele. Un emițător artificial de unde radio este un conductor electric cu un curent electric alternativ care se mișcă în interior. Energia oscilativă a generatorului de înaltă frecvență este distribuită în spațiul înconjurător printr-o antenă radio. Prima sursă de lucru a undelor radio a fost emițătorul-receptor radio al lui Popov. În acest dispozitiv, funcția a fost îndeplinită de un dispozitiv de stocare de înaltă tensiune conectat la o antenă - un vibrator Hertz. Undele radio create artificial sunt utilizate pentru radare staționare și mobile, transmisii radio, comunicații radio, sateliți de comunicații, sisteme de navigație și computere.

Gama undelor radio

Undele utilizate în comunicațiile radio sunt în intervalul de frecvență 30 kHz - 3000 GHz. Pe baza lungimii de undă și a frecvenței, a caracteristicilor de propagare, domeniul undelor radio este împărțit în 10 sub-benzi:

1. SDV - extra lung.
2. DV - lung.
3. SV - medie.
4. HF - scurt.
5. VHF - ultrascurt.
6. MV - contor.
7. UHF - decimetru.
8. SMV - centimetru.
9. MMV - milimetru.
10. SMMV - submilimetru

Gama de frecvențe unde radio

Spectrul undelor radio este împărțit în mod convențional în secțiuni. În funcție de frecvență și lungime, undele radio sunt împărțite în 12 sub-benzi. Gama de frecvență a undelor radio este legată de frecvența semnalului AC. Undele radio în reglementările radio internaționale sunt reprezentate de 12 denumiri:

Pe măsură ce frecvența unei unde radio crește, lungimea acesteia scade, iar pe măsură ce frecvența unei unde radio scade, lungimea acesteia crește. Propagarea în funcție de lungimea sa este cea mai importantă proprietate a unei unde radio.

Propagarea undelor radio 300 MHz - 300 GHz se numește frecvențe ultra-înalte de microunde datorită frecvenței lor destul de înalte. Chiar și sub-benzile sunt foarte extinse, astfel încât ele, la rândul lor, sunt împărțite în intervale, care includ anumite benzi pentru difuzare de televiziune și radio, pentru comunicații maritime și spațiale, terestre și aviatice, pentru radar și radionavigație, pentru transmiterea de date medicale și așa mai departe. În ciuda faptului că întreaga gamă de unde radio este împărțită în zone, granițele desemnate între ele sunt condiționate. Secțiunile se succed continuu, transformându-se una în alta și uneori se suprapun.

Caracteristicile propagării undelor radio

Propagarea undelor radio este transferul de energie printr-un câmp electromagnetic alternant dintr-o zonă a spațiului în alta. În vid, undele radio se propagă cu Când undele radio sunt expuse mediului, propagarea undelor radio poate fi dificilă. Acest lucru se manifestă prin distorsiuni ale semnalului, modificări ale direcției de propagare și încetinirea vitezelor de fază și grup.

Fiecare tip de val este folosit diferit. Cei lungi sunt mai capabili să evite obstacolele. Aceasta înseamnă că gama undelor radio se poate propaga pe planul pământului și al apei. Utilizarea valurilor lungi este larg răspândită în navele subacvatice și maritime, ceea ce vă permite să fiți în contact oriunde pe mare. Receptoarele tuturor farurilor și stațiilor de salvare sunt reglate la șase sute de metri cu o frecvență de cinci sute de kiloherți.

Propagarea undelor radio în diferite benzi depinde de frecvența acestora. Cu cât lungimea este mai mică și frecvența este mai mare, cu atât calea undei va fi mai dreaptă. În consecință, cu cât frecvența este mai mică și cu cât lungimea este mai mare, cu atât este mai capabil să se aplece în jurul obstacolelor. Fiecare gamă de lungimi de undă radio are propriile sale caracteristici de propagare, dar la granița intervalelor învecinate nu există o schimbare bruscă a caracteristicilor distinctive.

Caracteristici de distribuție

Valurile ultra-lungi și lungi se îndoaie în jurul suprafeței planetei, răspândindu-se prin razele de suprafață pe mii de kilometri.

Undele medii sunt supuse unei absorbții mai puternice și, prin urmare, sunt capabile să parcurgă o distanță de numai 500-1500 de kilometri. Odată cu densificarea ionosferei în acest interval, este posibil să se transmită un semnal printr-un fascicul spațial, care asigură comunicarea pe câteva mii de kilometri.

Undele scurte se propagă numai pe distanțe scurte datorită absorbției energiei lor de către suprafața planetei. Cele spațiale sunt capabile să fie reflectate în mod repetat de la suprafața pământului și de la ionosferă, acoperind distanțe lungi, transmitând informații.

Cele ultra-scurte sunt capabile să transmită o cantitate mare de informații. Undele radio din acest interval pătrund prin ionosferă în spațiu și, prin urmare, sunt practic nepotrivite pentru comunicațiile terestre. Undele de suprafață ale acestor intervale sunt emise în linie dreaptă, fără a se îndoi în jurul suprafeței planetei.

În benzile optice este posibilă transmiterea unor cantități gigantice de informații. Cel mai adesea, a treia gamă de unde optice este utilizată pentru comunicare. În atmosfera Pământului ele sunt supuse atenuării, așa că în realitate transmit un semnal pe o distanță de până la 5 km. Dar utilizarea unor astfel de sisteme de comunicații elimină necesitatea obținerii permiselor de la inspectoratele de telecomunicații.

Principiul modulatiei

Pentru a transmite informații, o undă radio trebuie să fie modulată cu un semnal. Emițătorul emite unde radio modulate, adică alterate. Undele scurte, medii și lungi au modulație de amplitudine, motiv pentru care sunt denumite AM. Înainte de modulare, unda purtătoare se mișcă cu o amplitudine constantă. Modulația de amplitudine pentru transmisie își modifică amplitudinea, respectiv tensiunea semnalului. Amplitudinea undei radio variază direct proporțional cu tensiunea semnalului. Undele ultrascurte au modulație de frecvență, motiv pentru care sunt denumite FM. impune o frecvență suplimentară care transportă informații. Pentru a transmite un semnal la o distanță, acesta trebuie modulat cu un semnal de frecvență mai mare. Pentru a primi un semnal, trebuie să-l separați de unda subpurtătoare. Cu modularea în frecvență, se creează mai puține interferențe, dar postul de radio este forțat să transmită pe VHF.

Factori care afectează calitatea și eficiența undelor radio

Calitatea și eficiența recepției undelor radio sunt afectate de metoda radiației direcționale. Un exemplu ar fi o antenă satelit care direcționează radiația către locația unui senzor de recepție instalat. Această metodă a permis progrese semnificative în domeniul radioastronomiei și a făcut multe descoperiri în știință. El a deschis posibilitatea de a crea transmisii prin satelit, transmisii wireless și multe altele. S-a dovedit că undele radio pot fi emise de Soare, multe planete situate în afara sistemului nostru solar, precum și nebuloase cosmice și unele stele. Se presupune că în afara galaxiei noastre există obiecte cu emisii radio puternice.

Gama undelor radio și propagarea undelor radio sunt influențate nu numai de radiația solară, ci și de condițiile meteorologice. Astfel, undele metrice, de fapt, nu depind de condițiile meteorologice. Iar domeniul de propagare a semnalelor centimetrice depinde în mare măsură de condițiile meteorologice. Apare datorită faptului că undele scurte sunt împrăștiate sau absorbite în mediul acvatic în timpul ploii sau când există un nivel crescut de umiditate în aer.

Calitatea lor este afectată și de obstacolele de pe parcurs. În astfel de momente, semnalul se estompează, iar audibilitatea se deteriorează semnificativ sau dispare cu totul pentru câteva momente sau mai mult. Un exemplu ar fi reacția unui televizor la un avion care trece, când imaginea clipește și apar dungi albe. Acest lucru se întâmplă din cauza faptului că unda este reflectată din avion și trece pe lângă antena TV. Astfel de fenomene cu televizoare și emițătoare radio apar mai des în orașe, deoarece gama undelor radio se reflectă pe clădiri și turnuri înalte, crescând calea undelor.

Cred că toată lumea a întors selectorul radioului, comutând între „VHF”, „LW”, „SV” și au auzit șuierate din difuzoare.
Dar în afară de descifrarea abrevierilor, nu toată lumea înțelege ce se ascunde în spatele acestor litere.
Să aruncăm o privire mai atentă asupra teoriei undelor radio.

Unda radio

Lungimea de undă (λ) este distanța dintre crestele undelor adiacente.
Amplitudine(e) - abatere maximă de la valoarea medie în timpul mișcării oscilatorii.
Perioada(T) - timpul unei mișcări oscilatorii complete
Frecvența (v) - numărul de cicluri complete pe secundă

Există o formulă care vă permite să determinați lungimea de undă după frecvență:

Unde: lungimea de undă (m) este egală cu raportul dintre viteza luminii (km/h) și frecvența (kHz)

„VHF”, „DV”, „SV”

Valuri ultra lungi- v = 3-30 kHz (λ = 10-100 km).
Au capacitatea de a pătrunde adânc în coloana de apă până la 20 m și, prin urmare, sunt folosite pentru comunicarea cu submarinele, iar barca nu trebuie să plutească la această adâncime; este suficient să aruncați geamandura radio la acest nivel. .
Aceste unde se pot răspândi în jurul pământului; distanța dintre suprafața pământului și ionosferă reprezintă pentru ei un „ghid de undă” de-a lungul căruia se propagă nestingherite.

Valuri lungi(LW) v = 150-450 kHz (λ = 2000-670 m).


Acest tip de undă radio are capacitatea de a se îndoi în jurul obstacolelor și este folosit pentru comunicare pe distanțe lungi. De asemenea, are o putere de penetrare slabă, așa că, dacă nu aveți o antenă de la distanță, este puțin probabil să puteți prelua orice post de radio.

Valuri medii(SV) v = 500-1600 kHz (λ = 600-190 m).


Aceste unde radio sunt bine reflectate din ionosferă, situată la o distanță de 100-450 km deasupra suprafeței pământului.Particularitatea acestor unde este că în timpul zilei sunt absorbite de ionosferă și nu are loc efectul de reflexie. Acest efect este folosit practic pentru comunicare, de obicei peste câteva sute de kilometri noaptea.

Unde scurte(HF) v= 3-30 MHz (λ = 100-10 m).

La fel ca undele medii, ele sunt bine reflectate din ionosferă, dar spre deosebire de acestea, indiferent de ora din zi. Ele se pot propaga pe distanțe lungi (câteva mii de km) datorită reflecțiilor din ionosferă și suprafața pământului; o astfel de propagare se numește salt. Pentru aceasta nu sunt necesare transmițătoare de mare putere.

Unde ultrascurte(VHF) v = 30 MHz - 300 MHz (λ = 10-1 m).


Aceste valuri se pot îndoi în jurul obstacolelor de câțiva metri și au, de asemenea, o putere de penetrare bună. Datorită acestor proprietăți, această gamă este utilizată pe scară largă pentru emisiunile radio. Dezavantajul este atenuarea lor relativ rapidă la întâlnirea cu obstacole.
Există o formulă care vă permite să calculați raza de comunicare în domeniul VHF:

Deci, de exemplu, atunci când difuzați de la turnul de televiziune Ostankino de 500 m înălțime la o antenă de recepție de 10 m înălțime, raza de comunicare, supusă vizibilității directe, va fi de aproximativ 100 km.

Frecvențe înalte (gama HF-cm) v = 300 MHz - 3 GHz (λ = 1-0,1 m).
Nu se îndoaie în jurul obstacolelor și au o bună capacitate de penetrare. Folosit în rețelele celulare și rețelele wi-fi.
O altă caracteristică interesantă a valurilor din acest interval este că moleculele de apă sunt capabile să absoarbă energia lor cât mai mult posibil și să o transforme în căldură. Acest efect este utilizat în cuptoarele cu microunde.
După cum puteți vedea, echipamentele wi-fi și cuptoarele cu microunde funcționează în aceeași gamă și pot afecta apa, așa că nu merită să dormi mult timp cu un router wi-fi.

Frecvențe extrem de înalte (undă milimetrică EHF) v = 3 GHz - 30 GHz (λ = 0,1-0,01 m).
Ele sunt reflectate de aproape toate obstacolele și pătrund liber în ionosferă. Datorită proprietăților lor sunt utilizate în comunicațiile spațiale.

AM - FM

Adesea, dispozitivele de recepție au poziții comutatoare am-fm, ce este aceasta:

A.M.- modulație de amplitudine

Aceasta este o modificare a amplitudinii frecvenței purtătoare sub influența unei vibrații de codare, de exemplu, o voce de la un microfon.
AM este primul tip de modulație inventat de om. Printre dezavantaje, ca orice tip de modulație analogică, are imunitate scăzută la zgomot.

FM- modulația de frecvență


Aceasta este o modificare a frecvenței purtătoarei sub influența unei oscilații de codare.
Deși acesta este, de asemenea, un tip de modulație analogică, are imunitate la zgomot mai mare decât AM și, prin urmare, este utilizat pe scară largă în sunetul transmisiunilor TV și al transmisiilor VHF.

De fapt, tipurile de modulație descrise au subtipuri, dar descrierea lor nu este inclusă în materialul acestui articol.

Mai mulți termeni

Interferență- ca urmare a reflexiilor undelor de la diverse obstacole, undele se adună. În cazul adunării în faze identice, amplitudinea undei inițiale poate crește; în cazul adunării în faze opuse, amplitudinea poate scădea până la zero.
Acest fenomen este cel mai evident la recepționarea semnalelor VHF FM și TV.


Prin urmare, de exemplu, în interior, calitatea recepției pe o antenă TV interioară variază foarte mult.

Difracţie- un fenomen care apare atunci când o undă radio întâlnește obstacole, în urma cărora unda poate schimba amplitudinea, faza și direcția.
Acest fenomen explică conexiunea pe HF și SW prin ionosferă, când unda este reflectată de diverse neomogenități și particule încărcate și, prin urmare, schimbă direcția de propagare.
Același fenomen explică capacitatea undelor radio de a se propaga fără vizibilitate directă, îndoindu-se în jurul suprafeței pământului. Pentru a face acest lucru, lungimea de undă trebuie să fie proporțională cu obstacolul.

PS:

Sper că informațiile pe care le-am descris vor fi utile și vor aduce o oarecare înțelegere asupra acestui subiect.