Які хвилі навіщо використовуються. Діапазон радіохвиль та їх поширення. Властивості розповсюдження електромагнітних хвиль

Якби Максвелл не передбачив існування радіохвиль, а Герц не відкрив їх на практиці, наша дійсність була б зовсім іншою. Ми не могли б швидко обмінюватися інформацією за допомогою радіо та мобільних телефонів, досліджувати далекі планети та зірки за допомогою радіотелескопів, спостерігати за літаками, кораблями та іншими об'єктами за допомогою радіолокаторів.

Яким чином радіохвилі допомагають нам у цьому?

Джерела радіохвиль

Джерелами радіохвиль у природі є блискавки - гігантські електричні іскрові розряди в атмосфері, сила струму в яких може досягати 300 тисяч ампер, а напруга - мільярда вольт. Блискавки ми спостерігаємо під час грози. До речі, вони виникають не лише на Землі. Спалахи блискавок були виявлені на Венері, Сатурні, Юпітері, Урані та інших планетах.

Практично всі космічні тіла (зірки, планети, астероїди, комети та ін) також є природними джерелами радіохвиль.

У радіомовленні, радіолокації, супутниках зв'язку, стаціонарного та мобільного зв'язку, різних системах навігації застосовуються радіохвилі, отримані штучним шляхом. Джерелом таких хвиль служать високочастотні генератори електромагнітних коливань, енергія яких передається в простір за допомогою антен, що передають.

Властивості радіохвиль

Радіохвилі – це електромагнітні хвилі, частота яких знаходиться в інтервалі від 3 кГц до 300 ГГц, а довжина – від 100 км до 1 мм відповідно. Поширюючись серед, вони підпорядковуються певним законам. При переході з одного середовища до іншого спостерігається їх відображення та заломлення. Притаманні їм явища дифракції та інтерференції.

Дифракція, або обгинання, відбувається, якщо на шляху радіохвиль зустрічаються перешкоди, розміри яких менші за довжину радіохвилі. Якщо ж їх розміри виявляються більшими, то радіохвилі відбиваються від них. Перешкоди можуть мати штучне (споруди) чи природне (дерева, хмари) походження.

Відбиваються радіохвилі та від земної поверхні. Причому поверхня океану відбиває їх приблизно на 50% сильніше, ніж сийша.

Якщо перешкода є провідником електричного струму, якусь частину своєї енергії радіохвилі віддають йому, а провіднику створюється електричний струм. Частина енергії витрачається на збудження електрострумів на Землі. Крім того, радіохвилі розходяться від антени колами в різні боки, подібно до хвиль від кинутого у воду камінця. З цієї причини радіохвилі згодом втрачають енергію та згасають. І чим далі від джерела знаходиться приймач радіохвиль, тим слабший сигнал, що дійшов до нього.

Інтерференція, чи накладення, викликає взаємне посилення чи ослаблення радіохвиль.

Радіохвилі поширюються у просторі зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла (до речі, світло – це теж електромагнітна хвиля).

Як і будь-які електромагнітні хвилі, радіохвилі характеризуються довжиною та частотою хвилі. З довжиною хвилі частота пов'язана співвідношенням:

f = c/ λ ,

де f - Частота хвилі;

λ - довжина хвилі;

c - швидкість світла.

Як бачимо, що більше довжина хвилі, то менше її частота.

Радіохвилі розбиваються на наступні діапазони: наддовгі, довгі, середні, короткі, ультракороткі, міліметрові та дециміліметрові хвилі.

Поширення радіохвиль

Радіохвилі різної довжини поширюються у просторі не однаково.

Наддовгі хвилі(Довжина хвилі від 10 км і більше) легко огинають великі перешкоди поблизу поверхні Землі і дуже слабко поглинаються нею, тому енергії вони втрачають менше інших радіохвиль. Отже, загасають вони також набагато повільніше. Тому у просторі такі хвилі поширюються на відстані до кількох тисяч кілометрів. Глибина їхнього проникнення в середу дуже велика, і їх використовують для зв'язку з підводними човнами, що знаходяться на великій глибині, а також для різних досліджень у геології, археології та інженерній справі. Здатність наддовгих хвиль легко огинати Землю дозволяє досліджувати з допомогою земну атмосферу.

Довгі, або кілометрові, хвилі(Від 1 км до 10 км, частота 300 кГц - 30 кГц) також піддаються дифракції, тому здатні поширюватися на відстані до 2000 км.

Середні, або гектометрові, хвилі(від 100 м до 1 км, частота 3000 кГц - 300 кГц) гірше огинають перешкоди на поверхні Землі, сильніше поглинаються, тому набагато швидше загасають. Вони поширюються на відстані до 1000 км.

Короткі хвиліповодяться інакше. Якщо ми налаштуємо автомобільний радіоприймач у місті на коротку радіохвилю і почнемо рухатися, то при віддаленні від міста прийом радіосигналу буде все гірше, а на відстані приблизно 250 км він припиниться зовсім. Однак через деякий час радіотрансляція відновиться. Чому так відбувається?

Вся справа в тому, що радіохвилі короткого діапазону (від 10 м до 100 м, частота 30 МГц - 3 МГц) біля Землі згасають дуже швидко. Однак хвилі, що йдуть під великим кутом до горизонту, відбиваються від верхнього шару атмосфери – іоносфери, і повертаються назад, залишаючи позаду сотні кілометрів «мертвої зони». Далі ці хвилі відбиваються вже від земної поверхні і знову прямують до іоносфери. Багаторазово відбиваючись, вони здатні кілька разів обігнути земну кулю. Чим коротша хвиля, тим більший кут відбиття від іоносфери. Але вночі іоносфера втрачає відбивну здатність, тому у темний час доби зв'язок на коротких хвилях гірший.

А ультракороткі хвилі(метрові, дециметрові, сантиметрові з довжиною хвилі коротше 10 м), що не можуть відбиватися від іоносфери. Поширюючись прямолінійно, вони пронизують її і йдуть вище. Це їхня властивість використовують для визначення координат повітряних об'єктів: літаків, зграй птахів, рівня та щільності хмар та ін. Але й огинати земну поверхню ультракороткі хвилі теж не можуть. Через те, що вони поширюються в межах прямої видимості, їх застосовують для радіозв'язку на відстані 150 – 300 км.

За своїми властивостями ультракороткі хвилі близькі до світлових хвиль. Але світлові хвилі можна зібрати в пучок і направити їх у потрібне місце. Так влаштовані прожектор та ліхтарик. Так само роблять і з ультракороткими хвилями. Їх збирають спеціальними дзеркалами-антенами і вузький пучок посилають у потрібному напрямку, що особливо важливо, наприклад, радіолокації або супутникового зв'язку.

Міліметрові хвилі(від 1 см до 1 мм), найкоротші хвилі радіодіапазону, схожі з ультракороткими хвилями. Вони також поширюються прямолінійно. Але серйозною перешкодою їм є атмосферні опади, туман, хмари. Крім радіоастрономії, високошвидкісного радіорелейного зв'язку вони знайшли застосування у НВЧ техніці, що використовується в медицині та побуті.

Субміліметрові, або дециміліметрові хвилі (від 1 мм до 0,1 мм) за міжнародною класифікацією також відносяться до радіохвиль. У природних умовах вони майже не існують. В енергії спектра Сонця займають мізерну частку. Поверхні Землі не досягають, оскільки поглинаються парами води та молекулами кисню, що у атмосфері. Створені штучними джерелами, що застосовуються в космічному зв'язку, для дослідження атмосфер Землі та інших планет. Високий рівень безпеки цих хвиль для організму людини дозволяє застосовувати їх у медицині для сканування органів.

Субміліметрові хвилі називають хвилями майбутнього. Цілком можливо, що вони дадуть вченим можливість вивчати будову молекул речовин зовсім новим способом, а в майбутньому, можливо, навіть дозволять керувати молекулярними процесами.

Як бачимо, кожен діапазон радіохвиль застосовується там, де його поширення використовуються з максимальною користю.

ПОШИРЕННЯ РАДІОВОЛН- процес передачі в просторі ел-магн. коливань радіодіапазону (див. Радіохвилі).В природ. умовах Р. н. відбувається у разл. середовищі, напр. у атмосфері, косміч. плазмі, у поверхневому шарі Землі.

Загальні закономірності поширення радіохвиль. Швидкість Р. н. у вільному просторі у вакуумі дорівнює с. Повна енергія, що переноситься радіохвильою, залишається постійною, а щільність потоку енергії зменшується зі збільшенням відстані rвід джерела назад пропорційно r 2 . Р. н. в інших середовищах відбувається з фазовою швидкістю, що відрізняється від з, і в рівноважному середовищі супроводжується поглинанням ел-магн. енергії. Обидва ефекти пояснюються збудженням коливань електронів та іонів середовища під дією електрич. поля хвилі. Якщо напруженість поля E гармонійний. хвилі мала в порівнянні з напруженістю поля, що діє на заряди в самому середовищі (напр., На електрон в атомі), то коливання відбуваються також по гармонії. закону з частотою w хвилі, що прийшла. Електрони, що коливаються, випромінюють вторинні радіохвилі тієї ж частоти, але з ін. амплітудами і фазами. В результаті складання вторинних хвиль з приходить формується результуюча хвиля з новою амплітудою і фазою. Зсув фаз між первинною та перевипромінюваними хвилями призводить до зміни фазової швидкості. Втрати енергії при взаємодії хвилі з атомами є причиною поглинання радіохвиль.

Амплітуда хвилі зменшується за законом а фаза хвилі змінюється за законом y = w t- (w/с) nr, де x- показник поглинання, n - заломлення показник; nі xзалежать від діелектричної проникності e середовища, її провідності s та частоти хвиль w:

дезв. тангенсом кута втрат. Фазова швидкість u =с/ n, Коеф. поглинання Середа поводиться як діелектрикякщо і як провідник, якщо в першому випадку в другому -і хвиля згасає на відстанях - Товщина скін-шару (див. Скін-ефект). Серед e ц s є ф-циями частоти (див. Дисперсія хвиль). Вигляд частотної залежності е і s визначається структурою середовища. Дисперсія радіохвиль особливо суттєва в тих випадках, коли частота хвилі близька до характерних властивостей. частотам середовища (напр., при Р. р. в іоносферній та космічній плазмі, див. нижче).

При Р. н. у середовищах, що не містять вільних електронів (тропосфера, товща Землі), відбувається зміщення пов'язаних електронів в атомах та молекулах середовища у бік, протилежну полю хвилі Е , при цьому n > 1, uФ< з. У плазмі поле хвилі викликає усунення вільних електронів у напрямку E , при цьому n < 1 и uФ > с, т. Е. Фазова швидкість монохро-матич. хвилі може бути як менше, так і більше з. Однак для того щоб передати за допомогою радіохвиль к-л. інформацію (енергію), необхідно мати обмежений у часі радіосигнал, що є деяким набором гармоній. хвиль. Спектральний склад сигналу залежить від його тривалості та форми. Радіосигнал поширюється з груповою швидкістю uгр. У будь-якому середовищі uгр< з.

У однорідних середовищах радіохвилі поширюються прямолінійно, подібно до світлових променів. Процес Р. н. у цьому випадку підпорядковується законам геометричної оптики. Проте реальні середовища неоднорідні. У них п, а отже, і uФ різні у різних ділянках середовища, що призводить до рефракції радіохвиль. Що стосується плавних (у масштабі l) неоднорідності справедливе наближення геом. оптики. Якщо показник заломлення залежить лише від висоти h, що відраховується від сферичної поверхні Землі, то вздовж траєкторії променя виконується умова

Співвідношення (2) є Снелля законзаломлення для сферичношарового середовища. Тут R 0 - радіус Землі, f - кут нахилу променя до вертикалі у довільній точці траєкторії. Якщо натомість діє. показника заломлення га ввести наведений показник заломлення

то закон заломлення (2) набуде вигляду

Співвідношення (4) зв. законом заломлення Снелля для плоскошарового середовища.

Якщо nзменшується зі збільшенням h, то в результаті рефракції промінь, у міру поширення, відхиляється від вертикалі і на деякій висоті h mстає паралельним горизонтальній площині, а потім поширюється донизу (рис. 1, а). Макс. висота h m, на к-рую промінь може заглибитися в неоднорідне плоскослоїсте середовище, залежить від кута падіння f 0 і визначається з умови

Мал. 1. а- рефракція радіохвиль у плоскошаровому середовищі з grad n< 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h.

В область h > h mпромені не проникають, і, згідно з наближенням геом. оптики, хвильове поле в цій області має дорівнювати 0. Насправді поблизу площини h = h mхвильове поле зростає, а при h > h mзменшується експоненційно (рис. 1, б). Порушення законів геом. оптики при Р. н. пов'язано також з дифракцією хвиль, внаслідок якої радіохвилі можуть проникати в область геом. тіні. На межі області геом. Тіні утворюється складний розподіл хвильових полів. радіохвиль виникає за наявності на їх шляху перешкод (непрозорих або напівпрозорих тіл) і особливо суттєва в тих випадках, коли розміри перешкод можна порівняти з l.

Якщо Р. н. відбувається поблизу різкої межі (у масштабі l) між двома середовищами з разл. електрич. властивостями (напр., атмосфера - поверхня Землі або тропосфера - ниж. кордон іоносфери для досить довгих хвиль), то при падінні радіохвиль на різку межу утворюються відбита і заломлена радіохвиля, що пройшла. Якщо відбиток походить від межі провідного середовища (напр., поверхневого шару Землі), то глибина проникнення в нього визначається товщиною скін-шару.

У неоднорідних середовищах можливо хвилеводне поширення радіохвиль, При до-ром відбувається локалізація потоку енергії між визнач. поверхнями, рахунок чого хвильові поля з-поміж них убувають з відстанню повільніше, ніж у однорідної середовищі (атм. хвилевід). У середовищах з плавними неоднорідностями локалізація пов'язана з рефракцією, а у разі різких меж – із відображенням.

У середовищі, що містить випадкові локальні неоднорідності, вторинні хвилі випромінюються безладно в разл. напрямках. Розсіяні хвилі частково забирають енергію вихідної хвилі, що призводить до її ослаблення. При розсіянні на неоднорідностях розміром l l (т.з. розсіювання Релея; див. Розсіювання світла) Розсіяні хвилі поширюються майже ізотропно. У разі розсіювання на великомасштабних прозорих неоднорідностях розсіяні хвилі поширюються у напрямках, близьких до вихідної хвилі. При l! lвиникає сильне резонансне розсіювання.

Вплив поверхні Землі на поширення радіохвиль визначається як електрич. параметрами e і s ґрунтів та водних просторів, що утворюють земну кору, так і структурою поверхні Землі, тобто її кривизною та неоднорідністю. Р. р.- процес, який захоплює велику область простору, але наиб. істот. роль Р. н. грає область, обмежена поверхнею, що має форму еліпсоїда обертання, у фокусах до-рого Aі Bна відстані rрозташовані передавач та приймач (радіотраса, рис. 2). Велика вісь еліпсоїда рівномала вісь визначається розмірами першої Френель зониі Ширина траси зменшується зі зменшенням l. Якщо висоти z 1 та z 2 , на яких брало розташовані антени передавача і приймача над поверхнею Землі, великі в порівнянні з l, то еліпсоїд не стосується поверхні Землі і вона не впливає на Р. р. (Рис. 2, а). При зниженні обох або однієї з кінцевих точок радіотраси (або збільшення довжини хвилі) поверхню Землі перетинає еліпсоїд. У цьому випадку на Р. н. впливають електрич. параметри області поверхні Землі, обмеженої еліпсом перерізу, витягнутим уздовж траси При збереженні умов та в точці прийому виникає між прямою та відбитою хвилями (див. Інтерференція хвиль).Амплітуда і фаза відбитої хвилі визначаються з урахуванням Френеля формулдля коеф. відображення. Інтерференційні максимуми і мінімуми зумовлюють пелюсткову структуру поля, яка характерна для декаметрових і більш коротких радіохвиль. Якщо z 1/l< 1 и z 2 /l< 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r+ l(p/4) та

Мал. 2. Еліпсоїдальна область простору, суттєва при поширенні радіохвиль (радіотраса); А- випромінювач; У- Приймач.

Зменшення напруженості поля, а отже, і потоку енергії, що переноситься радіохвильною вздовж поверхні Землі ( земною хвилею)обумовлено провідністю поверхні в цій галузі. При P.p. вздовж провідної поверхні виникає потік енергії, спрямований у провідне середовище і швидко загасаючий у міру поширення в ній. Глибина проникнення радіохвилі в земну кору визначається товщиною скін-шару і, отже, збільшується зі збільшенням довжини хвилі. Тому для підземного та підводного радіозв'язку використовуються довгі та наддовгі радіохвилі.

Мал. 3. Дальність "прямої видимості" rобмежена опуклістю земної поверхні; R 0 - радіус Землі, z 1 , і z 2 , - висоти передавальної А та приймальної Уантен відповідно.

Випуклість земної поверхні обмежує відстань, на якому з точки прийому У"видний" передавач А(Область "прямої видимості", рис. 3). Однак радіохвилі, огинаючи Землю в результаті дифракції, можуть проникати в ділянку тіні на більшу відстань( R 0 – радіус Землі). Практично в цю область за рахунок дифракції можуть проникати лише кілометрові та довші хвилі (рис. 4).

Мал. 4. Графік, що ілюструє зв'язок дальності rпоширення від величини W = 20lg | E / E * | , де E- Напруженість поля радіохвилі в реальних умовах поширення з урахуванням огинання опуклості земної поверхні (випромінювач розташований на поверхні Землі); Е * - Напруженість поля для різних частот без урахування дифракції.

Фазова швидкість земних хвиль поблизу випромінювача залежить від електрич. властивостей. Однак на відстані в дек. l від випромінювача u ф! з. Якщо радіохвилі поширюються над електрич. напр. спочатку над сушею, а потім над морем, то при невисіченні берегової лінії різко змінюються амплітуда і напрям Р. н. (берегова рефракція, рис. 5).

Мал. 5. Зміна напруженості електричного поля хвилі при перетині берегової лінії.

Вплив рельєфу земної поверхні на Р. н. залежить від висоти нерівностей h, їх горизонтальної протяжності l, l та кута q падіння хвилі на поверхню. Якщо нерівності досить малі і пологи, то що kh cosq< < 1 (k- хвильове число), і виконується т.з. критерій Релея 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 "обурюють" хвильове поле, утворюючи затінені області. Дифракція радіохвиль на гірських хребтах іноді призводить до посилення прямих та відбитих хвиль. Вершина гори служить природ. ретранслятор. Це суттєво при поширенні метрових радіохвиль у гористій місцевості (рис. 6).

Поширення радіохвиль у тропосфері. Тропосфера - область атмосфери, розташована між поверхнею Землі і тропопаузою, в якій темп-па повітря зазвичай убуває з висотою (у тропопаузі темп-ра з висотою збільшується). Висота тропопаузи на земній кулі неоднакова, над екватором вона більша, ніж над полюсами, а в середніх широтах, де існує система сильних західних вітрів, змінюється стрибкоподібно. Тропосфера складається з суміші нейтральних молекул та атомів газів, що входять до складу сухого повітря, та пари води. Діелектрична проникність, а отже, і показник заломлення газу, що не містить вільних електронів та іонів, обумовлені додатковими полями, створюваними зміщенням електронів у молекулах (сухого повітря) і орієнтацією полярних молекул (пари води) під дією електрич. поля хвилі.

Показник заломлення тропосфери

де p- Тиск сухого повітря, е- тиск водяної пари в мілібарах, Т- Темп-pa. Показник заломлення залежить від частоти і дуже мало відрізняється від одиниці. Так, біля Землі зі збільшенням висоти відбувається зміна параметрів р, Т, е, Що визначають значення показників заломлення При нормальних метеорологич. умовах показник заломлення зменшується з висотою:

Це призводить до викривлення траєкторії променів. Для правильної оцінки положення променя щодо Землі необхідно враховувати сферичність її поверхні, що можна зробити, вводячи наведений показник заломлення (3):

відрізняється від grad nне тільки за абс. величині, а й за знаком. В умовах нормальної тропосферної рефракції grad nпр > 0. У цьому випадку промінь, що вийшов з піднятого над землею випромінювача під кутом до вертикалі, при поширенні наближається до неї. При поширенні променів відбувається у бік значень, що зменшуються nпр. При цьому, залежно від значень f 0 , промінь може досягти поверхні Землі і відбитися від неї, досягти точки повороту, що визначається з умови (5), і при деякому значенні кута f 0 точка повороту може лежати на поверхні Землі. У цьому випадку траєкторія променя є межею між областю, в яку можуть потрапити промені, і областю тіні. Нормальна тропосферна рефракція сприяє збільшенню прямої видимості.

Метеорологіч. умови істот. чином впливають зміну показника заломлення, т. е. і рефракцію радіохвиль. Зазвичай у тропосфері тиск повітря н темп-pa З висотою зменшуються, а тиск водяної пари збільшується. При деяких метеорологич. напр. при русі нагрітого над сушею повітря над більш холодною поверхнею моря, температура повітря з висотою збільшується, а тиск водяної пари зменшується (інверсія температури і вологості). І тут показник заломлення змінюється з висотою не монотонно, тобто. dnпр /dhна деякій висоті може змінити знак. Якщо в інтервалі висот, що визначається товщиною шару інверсії, то grad n np<0. В плоскослоистой среде с grad nпр< О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dnпр /dhзмінює знак, виникають умови для хвилеводного розповсюдження (рис. 7). У тропосферних хвилеводах, як правило, можуть поширюватися хвилі з l< 1 м.

Мал. 7. Траєкторії УКХ у тропосферному хвилеводі.

Поглинання радіохвиль у тропосфері дуже мало для всіх радіохвиль аж до сантиметрового діапазону. Поглинання сантиметрових і більш коротких хвиль різко збільшується, коли частота хвилі w збігається з одним із власних. частот коливань молекул повітря (резонансне поглинання) Молекули отримують від хвилі, що приходить, енергію, яка перетворюється на теплоту p тільки частково передається вторинним хвиль. Відомий ряд ліній резонансного поглинання у тропосфері: l = 1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглинання в парах води) та l = 0,5 см, 0,25 см (поглинання у кисні). Між резонансними лініями лежать області слабкішого поглинання (вікна прозорості).

Ослаблення радіохвиль може бути викликано розсіюванням на неоднорідностях, що виникають при турбулентному русі повітряних мас (див. Турбулентність).Розсіювання різко збільшується, коли в повітрі присутні краплинні неоднорідності у вигляді дощу, снігу, туману. Майже ізотропне розсіювання Релея на дрібномасштабних неоднорідностях уможливлює радіозв'язок на відстанях, що значно перевищують пряму видимість (рис. 8). Т. о., тропосфера суттєво впливає на поширення УКХ. Для декаметрових і довших хвиль тропосфера практично прозора, і їх поширення впливають земна поверхню і вищі шари атмосфери.

Мал. 8. Розсіювання радіохвиль на дрібномасштабних неоднорідностях.

Поширення радіохвиль в іоносфері. Іоносферу утворюють гору. шари земної атмосфери, в якій гази частково (до 1%) іонізовані під впливом УФ-, рентг. та корпускулярного сонячного випромінювання. Іоносфера електрично нейтральна, вона містить однакову кількість покладе. і заперечують. частинок, тобто є плазмою. Достатньо велика, що впливає на Р. р., починається на висоті 60 км (шар D), збільшується до висоти 300-400 км, утворюючи шари Е. F 1 , F 2 і потім повільно зменшується. У гол. максимум концентрація електронів Nдосягає 10 6 см -3. Залежність Nвід висоти змінюється з часом доби, року, із сонячною активністю, а також з широтою та довготою. Йонізірів. шар між 200 і 400 км полягає в осн. з рівної кількості іонів Про + і електронів. Ці частинки занурені в нейтральний газ з концентрацією 10 8 см -3 , що складається в осн. з частинок Про 2, Про, N 2 і Не.

У багатокомпонентній плазмі, що містить електрони, іони та нейтральні молекули та пронизаної магн. полем Землі (див. Земний магнетизм), Можуть виникати разл. види прив. коливань, що мають різні частоти. Напр., плазмові (ленгмюрівські) частоти електронів та іонів гі-ромагн. частоти електронів та іонів де т, М- маси електрона та іона, е- їхній заряд, N- Концентрація, Н 0- Напруженість магн. поля Землі. Т. до. те. Напр., для електронів = 1,4 МГц, а іонів атомарного кисню = 54 Гц.

Залежно від частоти w радіохвилі осн. роль Р. н. грають ті чи інш. види прив. коливань, тому електрич. властивості іоносфери різні для різних ділянок радіодіапазону. При високих w іони не встигають слідувати за змінами поля і в Р. н. беруть участь лише електрони. Вимушені коливання вільних електронів іоносфери відбуваються у протифазі з діючою силою і викликають поляризацію плазми у бік, протилежну електрич. полю хвилі Е. Тому діелектрич. проникність іоносфери e< 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Облік зіткнень електронів з атомами іонами дає більш точні ф-ли для e і s іоносфери:

Тут v – ефф. частота зіткнень. Для декаметрових і більш коротких хвиль у більшій частині іоносфери та показники заломлення hі поглинання приблизно рівні:

Оскільки h< 1, фазова швидкість Р. н. УФ = = с/п > с, групова швидкість u гр = з/n< с .

Поглинання у іоносфері пропорц. v, тому що чим більше число зіткнень, тим більша частина енергії, одержуваної електроном з хвиль, переходить у тепло. Тому поглинання більше ніж. областях іоносфери (шар D), де v більше, тому що вище густина газу. Зі збільшенням частоти поглинання зменшується. Короткі хвилі відчувають слабке поглинання і поширюються великі відстані.

Рефракція радіохвиль в іоносфері. В іоносфері поширюються лише радіохвилі із частотою w > w 0 . При 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. У ниж. частини іоносфери електронна концентрація і w 0 збільшуються з висотою, тому зі збільшенням w послана із Землі хвиля все глибше проникає в іоносферу. Макс. частота радіохвилі, яка відбивається від шару іоносфери при вертикальному падінні, зв. критич. частотою шару:

Критич. частота шару F 2 (гл. максимуму) змінюється протягом доби та року в широких межах (від 3-5 до 10 МГц). Для хвиль з показник заломлення не перетворюється на нуль і падаюча вертикально хвиля проходить через іоносферу, не відбиваючись.

При похилому падінні хвилі на іоносферу відбувається рефракція, як і тропосфері. у ниж. частини іоносфери gradM -1 , тобто тому gradi траєкторія променя відхиляється у напрямку до Землі (рис. 9). Радіохвиля, що падає на іоносферу під кутом f 0 повертає до Землі на висоті h, Для якої виконано умова (5). Макс. частота хвилі, що відбивається від іоносфери при падінні під кутом (тобто для даної дальності траси), дорівнює наз. максимально застосовною частотою (МПЛ). Хвилі з відбиваючись від іоносфери, повертаються Землю, що використовується для далекого радіозв'язку.

Мал. 9. Схематичне зображення радіопроменів певної частоти за різних кутів падіння на іоносферу.

Мал. 10. Розповсюдження коротких хвиль між Землею та іоносферою: а- багатоскачкова траєкторія; б- ковзна траєкторія.

Внаслідок сферичності Землі величина кута f0 обмежена і дальність зв'язку при одноразовому відображенні від іоносфери3500-4000 км. Зв'язок великі відстані здійснюється рахунок дек. послідовний. відображень від іоносфери та Землі ("стрибків", рис. 10, а). Можливі і складніші хвилеводні траєкторії, що виникають рахунок горизонтального градієнта Nабо розсіювання на неоднорідностях іоносфери при Р. н. з частотою w> w МПЧ. Внаслідок розсіювання кут падіння променя на шар F 2 виявляється більше, ніж за звичайного поширення. Промінь відчуває ряд послідовностей. відбитків від шару F 2, поки не потрапить в область з таким градієнтом N, який викличе відображення частини енергії назад до Землі (рис. 10, б).

Вплив магнітного поля Землі Н 0 . У магн. поле Н 0 на електрон, що рухається зі швидкістю u , діє Лоренца силапід впливом до-рой він обертається по колу в площині, перпендикулярній Н 0, з гіромагн. частотою w H. Траєкторія кожної заряд. частинки - гвинтова лінія з віссю вздовж Н 0 . Дія сили Лоренца призводить до зміни характеру вимушених коливань електронів під дією електрич. поля хвилі, а отже, до зміни електрич. властивостей середовища. В результаті іоносфера стає анізотропним гіротропним середовищем, електрич. властивості до-рой залежить від напрямку Р. р. і описуються не скалярною величиною e, а тензором діелект-річ. проникності. Падаюча на таке середовище хвиля відчуває подвійне променезаломлення,Т. е. розщеплюється на дві хвилі, що відрізняються швидкістю і напрямом поширення, поглинанням та поляризацією. Якщо напрям Р. р. то падаючу хвилю можна уявити у вигляді суми двох лінійно поляризованих хвиль си. Для першої, "незвичайної", хвилі ( е)характер вимушеного руху електронів під дією поля хвилі Е змінюється (з'являється компонент прискорення, перпендикулярна Е) і тому змінюється п. Для другої, "звичайної", хвилі ( о) вимушений рух залишається таким же, як і без поля Н 0 (присилання Лоренца дорівнює 0). Для цих двох хвиль (без урахування зіткнень) квадрати показників заломлення рівні

При Р. н. вздовж

В останньому випадку обидві хвилі мають кругову поляризацію, причому у "незвичайної" хвилі вектор E обертається у бік обертання електрона, а в "звичайній" - у протилежний бік. При довільному напрямку Р. н. (щодо Н„) поляризація нормальних хвиль еліптична.

У міру Р. н. в іоносфері збільшується зсув фаз між хвилями та змінюється поляризація сумарної хвилі. Напр. при P.p. вздовж Н 0 це призводить до повороту площини поляризації ( Фарадея ефект), а при Р. н. перпендикулярно Н 0 - до періодич. чергування лінійної та кругової поляризацій (див. Коттона - Мутона ефект), тому що показники заломлення хвиль різні, відображення їх відбувається на різній висоті (рис. 11). Напрямок k при Р. н. в іоносфері може відрізнятись від u гр.

Мал. 11. Розщеплення радіохвилі в результаті в іоносфері.

Низькочастотні хвилі в іоносфері. основ. частина енергії НЧ-радіохвиль практично не проникає в іоносферу. Хвилі відбиваються від її нижчих. межі (вдень - внаслідок сильної рефракції в D-шаре, вночі - від E-шару, Як від межі двох середовищ з різними електрич. властивостями). Поширення цих хвиль добре описується моделлю, відповідно до якої однорідні та ізотропні Земля та іоносфера утворюють приземний хвилевід з різкими сферич. стінками, в до-ром і відбувається Р. н. Така модель пояснює спад спадання поля з відстанню і зростання амплітуди поля з висотою. Останнє пов'язане зі ковзанням хвиль уздовж увігнутої поверхні хвилеводу, що призводить до своєрідного "фокусування" поля. Це явище аналогічно відкритому Релеєм в акустиці ефекту "галереї, що шепоче". Амплітуда радіохвиль значно зростає в антиподній по відношенню до джерела точки Землі. Це пояснюється додаванням радіохвиль, що огинають Землю по всіх напрямках і сходяться на протилежному боці.

Вплив магн. Поля Землі зумовлює ряд особливостей поширення НЧ-хвиль в іоносфері: наддовгі хвилі можуть виходити з приземного хвилеводу за межі іоносфери, поширюючись вздовж силових ліній геомагн. поля між сполученими точками Аі УЗемлі (рис. 12). З ф-ли (8) видно, що у разі поздовжнього поширення ніде не звертається до 0, тобто хвиля проходить через іоносферу без відображення. У нічній атмосфері наближення геом. оптики порушується і часткове проходження є за будь-якого вугілля падіння. Розряди блискавок · в атмосфері – природ. джерело НЧ-хвиль. У діапазоні 1-10 кГц вони призводять до утворення т.з. свистячих атмосфериків, які поширюються вказаним чином і створюють на виході приймача сигнал з характерним свистом.

Мал. 12.

При Р. н. інфразвукових частот з w " W H важливу роль відіграють коливання іонів, іоносфера поводиться як провідна нейтральна рідина, рух якої описується ур-ниями магнітної гідродинаміки. В іоносфері можливе поширення дек. типів маг-нітогідродинаміч. хвиль, зокрема альвенівських хвиль, що розповсюджуються вздовж геомагн. поля з характерною швидкістю (де r - щільність газу), і магнітозвукових хвиль, які поширюються ізотропно (подібно звуку).

Нелінійні ефекти при поширенні радіохвиль в іоносфері виявляються вже для радиволн порівняно невеликої інтенсивності і пов'язані з порушенням лінійної залежності поляризації середовища від електрич. поля хвилі (див. Нелінійна оптика). "На-грівна" нелінійність грає осн. роль, коли характерні розміри обуреної електрич. полем області плазми у багато разів більша за довжину вільного пробігу електронів. довжина вільного пробігу електронів у плазмі значна, електрон встигає отримати від поля помітну енергію за час одного пробігу. Передача енергії при зіткненнях від електронів до іонів, атомів і молекул утруднена через велику різницю в їх масах. В результаті електрони плазми сильно "розігріваються" вже в порівняно слабкому електрич. поле, що змінює ефф. частоту зіткнень. Тому b і s плазми стають залежними від поля Ехвилі та Р. н. набуває нелінійного характеру. "Обурення" діелектрич. проникності

Де - характерне "плазмове" поле, Т - Темп-pa плазми, d - порівн. частка енергії, що втрачається електроном при одному зіткненні з важкою частинкою, - частота зіткнень.

Т. о., нелінійні ефекти стають помітними, коли поле хвилі Eпорівняно з E p, До-рої в залежності від частоти хвилі та області іоносфери становить ~10 -4 -10 -1 В/см.

Нелінійні ефекти можуть виявлятися як самовплив хвилі і як взаємодія хвиль між собою. Самовплив потужної хвилі призводить до зміни її поглинання та глибини модуляції. Поглинання потужної радіохвилі нелінійно залежить від її амплітуди. Частота зіткнень v зі збільшенням температури електронів може як зростати (у ниж. шарах, де осн. роль відіграють зіткнення з нейтральними частинками), так і зменшуватися (при зіткненні з іонами). У першому випадку поглинання різко зростає зі збільшенням потужності хвилі (насичення поля в плазмі). У другому випадку поглинання падає (тобто просвітлення плазми для потужної радіохвилі). Через нелінійну зміну поглинання амплітуда хвилі нелінійно залежить від амплітуди поля, що падає, тому її модуляція спотворюється (автомодуляція і демодуляція хвилі). Зміна hу полі потужної хвилі призводить до спотворення траєкторії променя. При поширенні вузьконаправлених пучків радіохвиль це може призвести до самофокусування пучка аналогічно самофокусування світлата до утворення хвилеводного каналу у плазмі.

Взаємодія хвиль за умов нелінійності призводить до порушення суперпозиції принципу. Зокрема, якщо потужна хвиля з частотою w 1 модульована по амплітуді, то завдяки зміні поглинання ця модуляція може передатися ін хвилі з частотою w 2 , що проходить в тій же області іоносфери (рис. 13) Люксембург-Горківським ефектоммає практич. значення при радіомовленні в діапазоні порівн. хвиль.

Мал. 13. Іоносферна кросмодуляція відбувається в області перетину променів.

Нагрів іоносфери в полі потужної хвилі в КВ-діапазоні може викликати теплову параметрич. нестійкість в іоносфері, яка призводить до аномально великого поглинання радіовипромінювання і розшарування плазми (див. Параметричний резонанс). В області утворюються сильно витягнуті вздовж Н 0 неоднорідності іоносфери (з поздовжнім масштабом 1 км, поперечним - 0,5100 м), які перспективні для далекого зв'язку в діапазоні УКХ. У полі дуже потужних радіохвиль електрони настільки сильно розігріваються, що виникає електрич. пробою газу.

Якщо розміри обуреної полем хвилі області плазми значно менші за довжину вільного пробігу електронів, нагрівальна нелінійність стає слабкою. Це має місце при коротких імпульсах і вузьких пучках радіохвиль. І тут осн. роль відіграє т.з. стрикційна нелінійність, пов'язана з тим, що неоднорідне перем. електрич. поле хвилі чинить тиск на електрони, що викликає стиск плазми. Концентрація електронів N, отже, e і s стають залежними від амплітуди поля. Стрикційна нелінійність призводить до зміни діелектрич. проникності меншої нагрівального зміни на дек. порядків (за тієї ж потужності хвилі). Стрикційна нелінійність грає важливу роль параметрич. нестійкості іоносфери.

Поширення радіохвиль у космічних умовах. За винятком планет та його найближчих околиць, б. ч. речовини у Всесвіті іонізована. Параметри косміч. плазми змінюються у межах. Напр., концентрація електронів та іонів поблизу орбіти Землі ~1-10 см -3 , в іоносфері Юпітера ~10 5 см -3 , у сонячній короні ~10 8 см -3 , у надрах зірок ~ 10 27 см -3 . З косміч. простору до Землі приходить широкий спектр ел-магн. хвиль, які на шляху з космосу повинні пройти через іоносферу і тропосферу. Через атмосферу Землі без помітного згасання поширюються хвилі двох осн. частотних діапазонів: "радіоокно" відповідає діапазону від іоносферних критич. частот w кr до частот сильного поглинання аерозолями та газами атмосфери (10 МГц - 20 ГГц), "оптич. вікно" охоплює діапазон видимого та ІЧ-випромінювання (1-10 3 ТГц). Атмосфера також частково прозора в діапазоні НЧ (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

У косміч. умовах джерело радіохвиль та їх приймач часто швидко рухаються одне щодо іншого. В результаті Доплера ефектуце призводить до зміни w на , де u- відносить. швидкість. Зниження частоти при видаленні кореспондентів ( червоне зміщення) властиво випромінювання віддалених від нас далеких галактик. Радіохвилі в косміч. плазмі схильні до рефракції, пов'язаної з неоднорідністю середовища (рис. 14). Напр., внаслідок рефракції в атмосфері Землі джерело радіохвиль видно вище над горизонтом, ніж насправді. Для визначення відстані до пульсарів та при інтерпретації результатів Сонця та планет необхідно враховувати, що в косміч. плазмі

Мал. 14. Траєкторії радіопроменів з l = 5 м у сонячній короні.

Можливості радіозв'язку з об'єктами, що у косміч. просторі або інших планетах, різноманітні і пов'язані з наявністю і будовою їх атмосфер. Якщо косміч. плазма знаходиться у магн. поле (магнітосфера Юпітера, області сонячних плям, магнітосфери пульсарів), то вона є гіротропним середовищем, подібно до земної іоносфери. Для всіх планет з атмосферами загальна складність радіозв'язку полягає в тому, що при вході косміч. апарату в щільні шари атмосфери навколо нього створюється щільна плазмова оболонка, що утрудняє проходження радіохвиль. На планетах типу Меркурія і Місяця, що практично не мають атмосфери та іоносфери, на Р. н. впливає лише поверхню планети. Через відсутність відображення від іоносфери дальність зв'язку вздовж поверхні такої планети невелика (рис. 15) і може бути збільшена лише за допомогою ретрансляції через супутник.

Мал. 15. Залежність дальності rрадіозв'язку лежить на поверхні Місяця від частоти w/2p.

Поширення радіохвиль різних діапазонів. Радіохвилі дуже низьких (3-30 кГц) і низьких (30-300 кГц) частот огинають земну поверхню внаслідок хвилеводного поширення та дифракції, порівняно слабо проникають в іоносферу і мало поглинаються нею. Відрізняються високою фазовою стабільністю та здатністю рівномірно покривати великі площі, включаючи полярні райони. Це зумовлює можливість їх використання для стійкого далекого та наддальнього радіозв'язку та радіонавігації, незважаючи на високий рівень атм. перешкод. Смуга частот від 150 до 300 кГц використовується для радіомовлення. Велика кількість геофіз. досліджень виконується шляхом спостережень за сигналами єств. походження, які генеруються, напр., блискавковими розрядами і частинками радіац. поясів Землі. Проблеми застосування цього частотного діапазону обумовлені громіздкістю антенних систем з високим рівнем атм. перешкод, з відносить. обмеженістю швидкості передачі.

Середні хвилі (300-3000 кГц) днем ​​поширюються вздовж Землі (земна, чи пряма, хвиля). Відбита від іоносфери хвиля практично відсутня, тому що хвилі сильно поглинаються в D-Шар іоносфери. Вночі через відсутність сонячного випромінювання D-шар зникає, з'являється іоносферна хвиля, відбита від E-Шару, і дальність прийому зростає. Додавання прямої і відбитої хвиль спричиняє сильну мінливість поля, тому іоносферна хвиля - джерело перешкод для мн. служб, які використовують поширення земної хвилі. Порівн. хвилі застосовуються для радіомовлення, радіотелеграфного та радіотелефонного зв'язку, радіонавігації.

Короткі хвилі (3-30 МГц) слабо поглинаються D- І Е-Шарами і відбиваються від F-шару, Коли їх частотимпч. В результаті їх відображення від іоносфери можливий зв'язок як на малих, так і на великих відстанях при значно меншому рівні потужності передавача і набагато простіших антенах, ніж низькочастотних діапазонах. Цей діапазон застосовується для радіотелефонного та радіотелеграфного зв'язку, радіомовлення, а також для радіоаматорського зв'язку. Особливість радіозв'язку в цьому діапазоні - наявність завмирань (федінга) сигналу через зміни умов відбиття від іоносфери та інтерференц. ефектів. КВ-лінії зв'язку схильні до впливу атм. перешкод. Іоносферні бурі спричиняють переривання зв'язку.

Для дуже високих частот та УКХ (30 - 1000 МГц) переважає Р. н. всередині тропосфери та проникнення крізь іоносферу. Роль земної хвилі падає. Поля перешкод у НЧ-частині цього діапазону все ще можуть визначатися відображеннями від іоносфери, і до частоти 60 МГц іоносферне розсіювання продовжує грати значить. роль. Всі види Р. р., за винятком тропосферного розсіювання, дозволяють передавати сигнали із шириною смуги частот у дек. МГц. У цій частині спектра можлива дуже висока якість звукового радіомовлення при дальності 50-100 км. Радіомовлення з частотною модуляцією працює на частотах близько 100 МГц.

У цьому діапазоні частот ведеться телевізій. мовлення. Для радіоастрономії виділено дек. вузьких спектральних смуг, які використовують також для косміч. зв'язку, радіолокації, метеорології, крім того, для аматорського зв'язку.

Хвилі УВЧ та НВЧ (1000-10 000 МГц) поширюються в осн. у межах прямої видимості та характеризуються низьким рівнем шумів. У цьому діапазоні при Р. н. відіграють роль відомі області макс. поглинання та частоти випромінювання хім. елементів (напр. лінії водню поблизу 1420 МГц). У цьому діапазоні розміщені багатоканальні системи широкосмугового зв'язку передачі телефонних і телевізій. сигналів. Висока спрямованість антен дозволяє використовувати низький рівень потужності радіорелейних системах, а тропосферне розсіювання забезпечує дальність радіозв'язку ~ 800 км. Цей діапазон застосовують у радіонавігації. та радіолокація. службах. Для радіоастрономіч. спостережень виділено смуги частот за атомарним воднем, радикалом ВІН та континуальним випромінюванням. У косміч. радіозв'язку смуга частот ~ 1000-10 000 МГц - наиб. важлива частина радіодіапазону.

Хвилі НВЧ (>10 ГГц) поширюються лише межах прямої видимості. Втрати в цьому діапазоні дек. вище, ніж на нижчих частотах, причому на їх величину сильно впливає кількість опадів. Роє втрат цих частотах частково компенсується зростанням ефективності антенних систем. НВЧ служать у радіолокації, радіонавігації та метеорології. На лініях зв'язку між поверхнею Землі та космосом можуть використовуватись частоти< 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.

Літ.:Долуханов М. П., Поширення радіохвиль, 4 видавництва, М., 1972; Бреховських Л. М., Хвилі в шаруватих середовищах, 2 видавництва, М., 1973; Гінзбург Ст Л., Поширення електромагнітних хвиль у плазмі, 2 видавництва, М., 1967; Татарський Ст І., Поширення хвиль у турбулентній атмосфері, М., 1967; Fок Ст А., Проблеми дифракції та поширення електромагнітних хвиль, М., 1970; Гуревич А. Ст, Шварцбург А. Би., Нелінійна теорія поширення радіохвиль в іоносфері, М., 1973; Железняков Ст Ст, Електромагнітні хвилі в космічній плазмі, М., 1977.

П. А. Беспалов, М. Б, Виноградова.

У цій статті розповімо вам про радіохвилі та властивості їх розповсюдження.

Багато людей, не володіючи елементарними поняттями про види енергії, їх властивості, часто розмірковують про способи бездротової передачі енергії на відстані. Інші, не знаючи, як поширюються радіохвилі, виготовляють антени до своїх радіопередавачів і радіоприймачів, намагаючись досягти максимальних характеристик передачі та прийому, але в них нічого не виходить. Одні читають розумні книжки, інші ґрунтуються на досвіді, чи раді малограмотного товариша. Для того, щоб розвіяти хоча б частину помилок і дати уявлення про електромагнітні хвилі і як їхній вид – радіохвилі присвячена ця стаття.

Як завжди, я не розписуватиму формул Максвелла, Фарадея та інших відомих діячів науки. Їх у величезній кількості є в підручниках фізики, читаючи які, навіть я – той, хто має освіту та досвід роботи в радіоелектроніці, не розумію, чому в цих підручниках наводяться розумні формули, а найпростіша інформація, яка має корисне практичне значення, відсутня? Адже наступного дня, чи тижня після закінчення школи, учень ці формули не згадає, а простих понять, як не знав, так і не знатиме.

Почнемо з того, що великий винахідник-практик електричних машин Нікола Тесла активно використовував у своїх експериментах електромагнітні коливання, про які раніше ніхто не знав, і як ми знаємо тепер із підручників фізики середньої школи породжують вид електромагнітних хвиль радіохвилі. Але повторюся, за часів Тесли про існування електромагнітних хвиль ніхто не знав. Інтуїтивно шляхом спостережень Тесла розумів, що в результаті його експериментів в навколишньому просторі з'являється якийсь вид енергії. Але в ті часи не існувало такої науки та обладнання, що дозволяє розкрити поняття електромагнітних хвиль. Тому це явище розглядалося як філософська категорія, яку Тесла називав. ефіром.

Нині розмірковують, що «ефір» та електромагнітні хвилі – це різні поняття. Вони зовсім не праві лише тому, що всі винаходи Тесли засновані на використанні звичайного змінного електричного струму і електромагнітних полів, які в свою чергу і породжують не «ефір», а звичайні електромагнітні хвилі в радіочастотному діапазоні. Саме те, що нині називається електромагнітними хвилями, на той час Нікола Тесла називав ефіром. Інших варіантів пояснень не може. Можна довго розмірковувати у тому, що це різні поняття. Наприклад, хтось із піною біля рота намагається довести, що швидкість поширення ефіру більша за швидкість світла, а доказова база відсутня. За допомогою якого експерименту Нікола Тесла міг виміряти швидкість ефіру? Ніде такої інформації нема. Висновок один, він її не вимірював, а лише припускав. Ви скажете, що ефір несе у собі енергію? Відповім, будь-яка електромагнітна хвиля несе в собі енергію! Мені траплялися практичні схеми радіоприймачів без батарейок, призначені не для роботи на навушники чи динамічну головку, а для отримання постійного електричного струму «з повітря» тими жителями мегаполісів, які мешкають поряд із потужними телерадіоцентрами.

– синусоїдальне електромагнітне коливання у просторі. Загальноприйняте скорочення – ЕМВ. Електромагнітна хвиля – це світло, теплові промені невидимого інфрачервоного діапазону, рентгенівські промені та радіохвилі. Різниця лише у потужності коливань та довжині хвилі. Зокрема Тесла мав справу з радіохвилями. Фактично він є винахідником радіо, а не Марконі з Поповим. Останні змогли описати радіохвилі, тому їх вважають винахідниками радіо. Тесла був першовідкривачем, але в ті часи не було наукових пояснень, які пізніше з'явилися у Попова і Марконі. Крім того, вони використовували радіохвилі у практичних корисних цілях. Тесла, свого часу писав про перенесення інформаційного сигналу за допомогою передавача та приймача, але захопившись блискавками, дійти до винаходу їх практичних пристроїв просто не встиг. Резонне питання, а що ж вагається в електромагнітних хвилях? Відповім, далеко не заглиблюючись в ядерну фізику, це фотони - згустки енергії, що мають електромагнітне поле, але не мають маси. Саме ці властивості дозволяють фотонам бути переносниками енергії. Вчені-ядерники й надалі «розкладають» фотони на складові елементи. Ми не продовжуватимемо цей хід думок, побажаємо їм успіхів, бо це не за темою статті. Якщо Ви противник вважати, що «ефір», це – електромагнітні хвилі, тоді спробуйте прийняти, що «ефір» це – фотони, а електромагнітні хвилі, це по своїй суті – спрямований потік фотонів.

Джерелом радіохвиліможе бути будь-який електричний провідник, у якому рухається змінний електричний струм. На практиці, джерелом радіохвилі є високочастотний генератор, коливальна енергія якого поширюється в простір через радіоантену. Першим діючим джерелом радіоколивань, винайденим людиною і використовуваним з очевидним і раціональним успіхом, був радіопередавач-радіоприймач Марконі (або Попова), який використовує як високочастотний генератор - високовольтний накопичувач з іскровим розрядником, підключеним на антену - звичайний вібра.

схема передавача та приймача Попова — Марконі

Властивості розповсюдження електромагнітних хвиль

Дальність розповсюдження електромагнітної хвилізалежить від частоти коливання змінного електричного струму (електромагнітного коливання). На частотах від одиниць до тисяч Герц, що відповідають звуковому діапазону хвиль, електромагнітна хвиля, створена у просторі за допомогою індуктивності, поширюється на відстань, яка не перевищує одного-двох десятків метрів, тому корисного практичного застосування не має. На частотах від сотень кілогерц і вище, що відповідає діапазонам радіохвиль, електромагнітна хвиля здатна поширюватись більш ніж на тисячі кілометрів.

Дальність поширення електромагнітної хвилі так само залежить від потужності струму, що протікає по провіднику. Як було зазначено раніше, низькочастотна електромагнітна хвиля корисного практичного застосування не має, проте має шкідливий вплив. Як приклад шкідливого впливу можна навести вплив високовольтної лінії електропередач (ЛЕП) з напругою в кілька десятків тисяч вольт на радіоприймач автомобіля, що проїжджає повз. Навколо високовольтних проводів формується потужне електромагнітне поле, яке значно перевершує амплітудою електромагнітні коливання віддалених радіостанцій і в приймачі замість радіостанції чутно низькочастотний гул мережевої напруги. Інший випадок, коли відбувається «глушіння» радіоприймача поблизу силових ліній електропередач при мережному напрузі всього 380 вольт, але струмі понад 100 ампер. У першому випадку у нас велика напруга, а в другому великий струм. З підручника фізики середньої школи відомо, що потужність електричного струму у провіднику пов'язана з напругою та струмом через вираз Р = U * I. А що більше потужність, то далі поширення електромагнітного поля як наслідок – електромагнітної хвилі, утвореної електромагнітним полем. Цим пояснюється вплив потужності на дальність поширення.

Чому хвиля, про яку тут пишеться, називається електромагнітною?Тому що вона складається з електричного та магнітного синусоїдального коливання. Ці два види коливань орієнтовані у просторі один щодо одного перпендикулярно – рівно на 90 градусів.
Коли електрична хвиля «горизонтальна» — зорієнтована паралельно до лінії горизонту, а магнітна хвиля відповідно «вертикальна» — зорієнтована перпендикулярно до лінії горизонту, тоді кажуть, що електромагнітна хвиля має лінійну горизонтальну поляризацію.

Коли електрична хвиля «вертикальна» — зорієнтована перпендикулярно до лінії горизонту, а магнітна хвиля відповідно «горизонтальна» — зорієнтована паралельно до лінії горизонту, тоді кажуть, що електромагнітна хвиля має лінійну вертикальну поляризацію.

Якщо електрична хвиля (відповідно і магнітна хвиля) має нахил щодо лінії горизонту – кут не дорівнює нулю або 90 градусів, тоді кажуть, що електромагнітна хвиля має лінійну похилу поляризацію.

Існує також інший вид поляризації, що використовується для підвищення дальності передачі (прийому) і кращої перешкоди радіоприйомної апаратури. кругова поляризація- Вид поляризації електромагнітної хвилі, при якому за один період електромагнітного коливання радіохвиля робить повний оборот на 360 градусів. Один із видів кругової поляризації – еліптична поляризація— «плеската» в одній із площин кругова поляризація.

Усі зазначені види поляризації визначаються пристроєм та орієнтуванням радіоантени.

Практична важливість поляризації полягає в тому, що якщо радіопередавач і радіоприймач налаштовані на ту саму частоту, але мають різну поляризацію, наприклад у передавача вертикальна, а у приймача - горизонтальна, то радіозв'язок буде поганий, або його взагалі не буде.

Прикладом використання поляризації світла як виду електромагнітних коливань є 3D-кінотеатр. Принцип дії систем 3D-відеозображення заснований на наступному: Фільм знімається на кінокамери (відеокамери), рознесені в просторі, як два очі людини. При його показі в кінотеатрі, два незалежні проектори закриваються поляризаційними світлофільтрами, такі ж світлофільтри у вигляді плівок стоять в окулярах кіноглядачів. Правий проектор та праве око глядача прикриті світлофільтром із вертикальною поляризацією, а лівий проектор та око – фільтром із горизонтальною поляризацією. Таким чином, праве око бачить картинку від правого проектора, а ліве око від лівого. Як фільтри можуть використовуватися й інші варіанти поділу світлових хвиль, але стаття не про це, поляризація світла – один із способів селекції електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі (радіохвилі) поширюються у різних середовищах із різною швидкістю. Швидкість поширення радіохвиль у вакуумі приблизно дорівнює швидкості світла 300 000 км/сек. У повітрі радіохвилі поширюються з меншою швидкістю, але не на багато, тому приймається та сама цифра – 300 000 км/сек. Оскільки звичайна вода має електропровідність, то її поверхня для радіохвиль є відбивачем, а частина енергії радіохвиль витрачається на нагрівання поверхневих шарів води. Типовим прикладом цього є мікрохвильова піч, що розігріває молекули води, що містяться в їжі, що підігрівається. Метали не пропускають радіохвилі, відбиваючи всю енергію електромагнітних коливань.

Важливим є властивості радіохвиль поширюватися в залежності від їх довжини хвилі. Нагадаю, довжина електромагнітної хвилі пов'язана з частотою коливань через швидкість її поширення у вакуумі (швидкість світла):

де: f- Частота, λ - довжина хвилі, з- Швидкість світла, рівна 300 000 км/сек.

Радіохвилі поділяються на кілька діапазонів:

Наддовгі «СДВ»- Частотою 3 - 30 кГц, з довжиною хвилі 100 - 10 км;

Довгі «ДВ»- Частотою 30 - 300 кГц, з довжиною хвилі 10 - 1 км;

Середні «СВ»- Частотою 300 - 3000 кГц, з довжиною хвилі 1000 - 100 метрів;

Короткі «КВ»- Частотою 3 - 30 МГц, з довжиною хвилі 100 - 10 метрів;

Ультракороткі «УКХ», що включають:

- метрові "МВ"- Частотою 30 - 300 МГц, з довжиною хвилі 10 - 1 метра;

- Дециметрові «ДМВ»- Частотою 300 - 3000 МГц, з довжиною хвилі 10 - 1 дм;

- сантиметрові «СМВ»- Частотою 3 - 30 ГГц, з довжиною хвилі 10 - 1 см;

- міліметрові "ММВ"- Частотою 30 - 300 ГГц, з довжиною хвилі 10 - 1 мм;

- Субміліметрові «СММВ»- Частотою 300 - 6000 ГГц, з довжиною хвилі 1 - 0,05 мм;

Діапазони від дециметрових, до міліметрових хвиль, через їхню дуже високу частоту називають надвисокими частотами «НВЧ».

Звичайно всі перелічені діапазони радіохвиль, як вітчизняні, так і буржуазні можуть поділятися на піддіапазони.

Для передачі інформації радіохвилі необхідно модулювати сигналом, що містить інформацію. Довгі, середні та короткі хвилі зазвичай мають амплітудну модуляцію, що англійською звучить. amplitude modulation "АМ". Ультракороткі хвилі зазвичай мають частотну модуляцію, що англійською звучить. frequency modulation, і в буржуїв позначаються як - "FМ"(по нашому «ЧМ»).

Крім поділу радіохвиль на діапазони необхідно додати, що в залежності від напрямку та шляхів поширення радіохвиль, вони бувають поверхневі(земні) (1) – розповсюджуються вздовж земної поверхні від радіопередавача до приймача, без використання верхніх шарів атмосфери та просторові(2) – що поширюються через верхні шари атмосфери та з відображенням від іоносфери (3).

Існує поняття, що вища довжина хвилі (менше частота), тим більше здатна огинати перешкоди. І навпаки, чим коротша довжина хвилі (вища частота), тим прямолінійніша (краще по прямій) радіохвиля поширюється.

Довгі хвилі здатні поширюватися вздовж поверхні землі та води, але ледве досягають іоносфери. Ця властивість використовується для організації зв'язку з морськими суднами – зв'язок є практично у будь-якій точці моря.

Середні хвилі поширюються вздовж поверхні землі та води, а також відбиваються іоносферою.

Короткі хвилі поширюються «стрибками», періодично відбиваючись від іоносфери та земної поверхні.

Ультракороткі хвилі і вищі частоти поширюються прямолінійно, як світло від джерела світла, де вони здатні згинатися вздовж земної кулі, а іоносфера їм прозора.

Простим прикладом використання довгохвильового діапазону є радіозв'язок із підводними човнами. Для того, щоб не бути поміченим супротивником, виходячи на зв'язок з командуванням флоту, човен спливає на дуже короткий час. Але якби хвилі, що використовуються для зв'язку з підводним човном поширювалися б «стрибками», то не в будь-якій точці земної кулі був би зв'язок. А на практиці, в якому місці земної кулі човен би не сплив, зв'язок з'являється відразу. Звичайно, останнім часом з розвитком техніки, підводні човни використовують різні діапазони, у тому числі космічний зв'язок (через супутники зв'язку) на НВЧ-діапазоні.

Прикладом використання радіохвиль діапазонів УКХ, ДМВ та СМВ є імпульсна радіолокація, де властивість прямолінійного поширення радіохвиль цих діапазонів використовується для точного визначення просторових координат літаків, зграй птахів та інших повітряних об'єктів. Навіть проводиться розвідка погоди – рівня та інтенсивності хмарності на великих відстанях.

Від того самого радіопередаючого пристрою радіохвилі відбиті від земної поверхні можуть зустрітися з невідбитими хвилями, або хвилями, відбитими від іншого ділянки земної поверхні, або верхніх шарів атмосфери. У цьому випадку відбувається синфазне додавання радіохвиль, або протифазне віднімання. В результаті, у вертикальній площині простору утворюється порізана косекансна діаграма спрямованостіантени. При синфазному перевідображенні радіохвиль від земної поверхні цих ділянках утворюються зони максимального переотражения – зони Френеля. Якщо радіопередавач має всеспрямовану антену (наприклад штирьову), то зони Френеля будуть являти собою багато кілець на поверхні землі різного діаметра, в центрі яких знаходиться антена. Діаметр кілець може бути від десятків метрів до кількох кілометрів.

Для Вашої ерудиції: До військової агресії в Югославії, американці надавали великого значення протирадіолокаційним ракетам як засобу знищення радарів противника. Протирадіолокаційна ракета має самонавідну радіоголовку, яка наводить ракету на сигнал радара. Але після своєї миротворчої операції з перетворення Югославії на маріонеткову державу, вони стали переозброюватися на ракети з тепловими головками самонаведення. Виявилося, що головки самонаведення протирадіолокаційних ракет наводилися на зони Френеля, які у радара, що обертається, весь час змінюються, в результаті чого обчислювач ракети не правильно визначав координати радара, і в кращому випадку ракета падала в одну з зон Френеля. Так, куплений у Радянського Союзу ще у 80-х роках радар метрового діапазону хвиль, понад 50 діб війни надійно забезпечував Югославські ППО інформацією про польоти американців. З його допомогою був збитий не один диво-літак-невидимка зірково-смугастих. А по телевізору, як завжди, брехали, що американці втрат не зазнають.

Сильне впливом геть поширення радіохвиль надають перешкоди. Як правило, перешкоди мають відбивну властивість. Як перешкоди можуть виступати різні предмети як природного, так і штучного походження. Як було написано раніше, радіохвилі відбиваються від земної поверхні. Якщо грунт сильно сухий (наприклад у пустелі), то відбиття радіохвиль набагато гірше, ніж коли земля сира від дощу. Так, відстань зв'язку в однієї й тієї апаратури зв'язку на море на 50 – 70 відсотків більше, ніж суші. Відображають радіохвилі дерева та хмари. Перераховані природні перешкоди є хорошими відбивачами, тому що до їх складу входить вода. До штучних перешкод, що відбивають радіохвилі, відносяться різні металеві конструкції, у тому числі арматура будівель і споруд.

Вплив типу використовуваної антени на якість та спрямованість прийому (випромінювання) радіохвиль

Куди і як поширюватиметься радіохвиля, визначається розмірами та формою антени-випромінювача радіохвиль. Найпростішою радіоантеною є Вібратор Герца. Це елементарний «кубик», який є основою побудови всіх типів антен.

Вібратор Герца – це два провідники, що розходяться у протилежні сторони від «точки підключення енергії». За своєю суттю це «розгорнутий» коливальний контур. Для кращого випромінювання радіосигналу, відстань від кінця одного провідника до кінця іншого повинна дорівнювати половині довжини хвилі випромінюваного (або прийнятого) електромагнітного коливання. Це необхідно для того, щоб на кінцях вібратора була максимальна різниця потенціалів напруги сигналу, а в центрі вібратора – максимальна амплітуда струму. Щоправда необхідно використовувати коефіцієнт укорочення, який враховує швидкість поширення електричного сигналу на поверхні провідників, яка набагато менша ніж у вакуумі. Залежно від частоти сигналу та металу, з якого виготовлений вібратор, коефіцієнт укорочення може бути в межах від 0,65 до 0,85. Тобто вібратор повинен дорівнювати половині довжини хвилі, помноженої на коефіцієнт укорочення.

Для зменшення габаритів антени іноді використовується вібратор, що по довжині дорівнює одній четвертій довжині хвилі. Можуть використовуватися й інші співвідношення, але при цьому якість прийому (передачі) та спрямовані властивості антени змінюються.

Діаграма спрямованості напівхвильового вібратора має форму. тороїда обертання- Форму «бублика». Якщо вібратор розташувати горизонтально щодо землі, зони максимального прийому (передачі) будуть на лінії перпендикулярній вібратору, а зони мінімального прийому по торцевих сторонах вібратора. Але майте на увазі, це без урахування впливу перевідображення від землі. Якщо враховувати вплив переображення від земної поверхні, проекція діаграми спрямованості антени (ДНА) вібратора виявиться трохи витягнутою в напрямках максимумів.
На малюнку зображено тороїд обертання та проекція діаграми спрямованості антени на горизонтальну поверхню з урахуванням впливу землі.

– це видозмінений вібратор Герца, у якого як один провідник використовується сам штир, а як інший противаг – шматок дроту, що звисає вниз, людина, у якої в руках мобільна рація, або поверхня землі. Діаграма спрямованості штирьової антени, це той же тороїд, що знаходиться в горизонтальній площі, тільки за рахунок відбиття від землі тороїд приплюснуть знизу. Зона максимального прийому буде на всі боки, а мінімального – над штирьовим вібратором. Зону мінімального прийому, що знаходиться над антеною, називають – мертва зона, або мертва вирва.

Залежно від співвідношення довжини штирьової антени до довжини хвилі, діаграма спрямованості антени у вертикальній площині змінюється. На малюнку схематично зображено, вплив відношення довжини штиря до довжини хвилі формування діаграми спрямованості антени у вертикальній площині.

Згадайте практичну важливість поляризації ЕМВ - якщо радіопередавач і радіоприймач налаштовані на ту саму частоту, але мають різну поляризацію, наприклад у передавача вертикальна, а у приймача - горизонтальна, то радіозв'язок буде поганий. До цього варто додати діаграму спрямованості штирьової антени, і тоді на прикладі двох радіотелефонів - переносних радіостанцій (1 і 2) зображених на малюнку нижче, можна зробити логічний висновок:

Якщо антени радіопередавача і радіоприймача орієнтовані просторі щодо горизонту однаково і діаграми спрямованості антен максимумами спрямовані друг на друга, то зв'язок буде найкращим. Якщо не виконується одна із зазначених умов, то зв'язку або не буде, або вона буде поганою.

На дальність радіозв'язку також впливає ще один параметр – товщина елементів вібратора, чим вона більша, тим антена широкосмугові– діапазон частот, що добре приймаються, ширший, але рівень сигналу практично на всіх частотах зменшується. Це з тим, що дипольна антена – це той самий коливальний контур, а при розширенні смуги частот АЧХ резонансу, амплітуда резонансу зменшується. Тому не дивуйтеся, що телевізійна антена, виготовлена ​​з пивних алюмінієвих банок у місті, де рівень сигналу телевізійної вежі великий, приймає телевізійний сигнал різних каналів не гірше, а найчастіше краще за складну професійну антену.

Хороші професійні радіоантени мають показник – коефіцієнтом посилення антени. Адже звичайний напівхвильовий вібратор не підсилює сигнал, його дія вибірково – на певній частоті, у певних напрямках та певній поляризації. Щоб у приймачі було менше перешкод, збільшити дальність прийому-передачі, одночасно при цьому звузити діаграму спрямованості антени (загальноприйнята назва – ДНА), простий напівхвильовий вібратор не годиться. Антену ускладнюють.

Раніше, я писав про вплив різних перешкод — їхню відбивну властивість. Якщо перешкода за своїми розмірами не порівнянна (на порядок менша) з довжиною радіохвилі, тоді це не є для радіосигналу перешкодою, вона ніяк на неї не впливає. Якщо перешкода знаходиться в площині паралельної електричної хвилі і більша за довжину хвилі, тоді ця перешкода відображає радіохвилю. Якщо перешкода по протяжності кратна (рівно чверті, половині або цілої) довжині хвилі, зорієнтована паралельно електричній хвилі і перпендикулярно напрямку поширення хвилі, тоді ця перешкода діє як резонансний коливальний контур на цілій довжині хвилі або її гармоніках, і має найбільші відбитки.

Саме ці описані вище властивості використовуються у складних антенах. Так, один із варіантів поліпшення прийомних властивостей антени є встановлення додаткового рефлектора(відбивача), принцип дії якого ґрунтується на відображенні радіохвилі та синфазного складання двох сигналів – від телецентру (ТЦ) та від рефлектора. Діаграма спрямованості при цьому звужується та витягується. На малюнку зображена антена, що складається з петльового напівхвильового вібратора(1) та рефлектора(2). Довжина вібратора (А) цієї телевізійної антени вибирається рівною половині довжини хвилі середнього телевізійного каналу, помножену коефіцієнт укорочення. Довжина рефлектора (Б) вибирається рівною половині довжини хвилі мінімального телевізійного каналу (з максимальною довжиною хвилі). Відстань між вібратором і рефлектором (С) вибирається таким, щоб відбувалося синфазне додавання прямого та відбитого сигналу – половині довжини хвилі.

Наступний спосіб подальшого посилення приймального сигналу шляхом звуження та витягування ДНА – додавання пасивного вібратора – директора. Принцип дії на тому ж синфазному додаванні. Діаграма спрямованості у своїй ще більше звужується і витягується. На малюнку зображена антена «хвильовий канал», Що складається з рефлектора (1), петльового напівхвильового вібратора (2) та одного директора (3). Подальше додавання директорів ще сильніше звужує та витягує діаграму спрямованості. Довжина директорів (В) вибирається трохи менше довжини активного вібратора. Для збільшення коефіцієнта посилення антени та її широкосмуговості перед активним вібратором додаються директори з поступовим зменшенням їх довжини. Зверніть увагу, що довжина активного вібратора дорівнює половині середньої довжини хвилі сигналу, довжина рефлектора - більше половини довжини хвилі, а довжина директора - менше половини довжини хвилі. Відстань між елементами вибирається також близько половини довжини хвилі.

У професійній техніці часто застосовується спосіб звуження ДНА та підвищення підсилювальних властивостей антени. фазовані антенні грати, в якій паралельно підключається кілька антен (наприклад, простих диполів, або антен типу «хвильовий канал»). В результаті відбувається додавання струмів сусідніх каналів, і як результат - підвищення потужності сигналу.

На надвисоких частотах як вібратор антени застосовують хвилевід, а як рефлектор застосовують суцільне полотно, всі точки якого рівновіддалені від площини вібратора (на однаковій відстані) – параболоїд обертання, або в народі – «тарілка». Така антена має дуже вузьку діаграму спрямованості та високий коефіцієнт посилення антени.

Висновки на основі поширення та складності формування радіохвиль

Як і куди поширюються радіохвилі, можна розрахувати за допомогою розумних формул і перетворень тільки для ідеальних умов – за відсутності природних перешкод. Для цього елементи антен різні поверхні повинні бути ідеально рівні. На практиці, через вплив багатьох факторів заломлення та відображення, ще жоден «вчений мозок» не зміг з високою достовірністю розрахувати поширення радіохвиль у природних умовах. Існують області простору впевненого прийому та зони радіотіні – там, де прийом зовсім відсутній. Тільки в кіно альпіністи не відповідають на виклик по радіозв'язку тому, що у них зайняті руки, або вони самі зайняті «рятуванням світу», насправді радіозв'язок – справа не стійка і частіше альпіністи не відповідають тому, що зв'язку просто немає – відсутнє проходження радіохвиль . Саме залежність радіозв'язку від природних явищ (дощ, низька хмарність, розрядженість атмосфери тощо) призвела до виникнення поняття «радіоаматор». Це зараз поняття «радіоаматор» – людина, яка любить паяти радіосхеми. Років двадцять тому це був «зв'язківець-короткохвильовик», який на виготовленому своїми руками малопотужному трансівері зв'язувався з іншим радіоаматором (або інакше — радіокореспондентом), що знаходиться на іншому боці Землі, за що отримував «бонуси». Раніше навіть проводилися змагання з радіозв'язку. Нині також проводяться, але з розвитком техніки це стало не так актуально. Серед цих радіоаматорів-зв'язківців є багато незадоволених тим, що звичайні «паяли», які не сидять у навушниках у пошуках радіокореспондентів для організації радіообміну, називають себе радіоаматорами.

У підручниках з фізики наведено хитромудрі формули на тему діапазону радіохвиль, які часом не до кінця зрозумілі навіть людям зі спеціальною освітою та досвідом роботи. У статті постараємося розібратися із суттю, не вдаючись до складнощів. Першим, хто виявив радіохвилі, був Нікола Тесла. У своєму часі, де не було високотехнологічного обладнання, Тесла не до кінця розумів, що це за явище, яке він згодом назвав ефіром. Провідник із змінним електричним струмом є початком радіохвилі.

Джерела радіохвиль

До природних джерел радіохвиль відносяться астрономічні об'єкти та блискавки. Штучним випромінювачем радіохвиль є електричний провідник з змінним електричним струмом, що рухається всередині. Коливальна енергія високочастотного генератора поширюється в навколишній простір за допомогою радіоантени. Першим робочим джерелом радіохвиль був радіопередавач-радіоприймач Попова. У цьому пристрої функцію виконував високовольтний накопичувач, підключений на антену – вібратор Герца. Створені штучним способом радіохвилі застосовуються для стаціонарної та мобільної радіолокації, радіомовлення, радіозв'язку, супутників зв'язку, навігаційних та комп'ютерних систем.

Діапазон радіохвиль

хвилі, що застосовуються в радіозв'язку, знаходяться в діапазоні частот 30 кГц - 3000 ГГц. Виходячи з довжини та частоти хвилі, особливостей поширення, діапазон радіохвиль поділяється на 10 піддіапазонів:

1. СДВ - наддовгі.
2. ДВ – довгі.
3. СВ – середні.
4. КВ – короткі.
5. УКХ - ультракороткі.
6. МВ – метрові.
7. ДМВ – дециметрові.
8. СМВ – сантиметрові.
9. ММВ – міліметрові.
10. СММВ - субміліметрові

Діапазон частот радіохвиль

Спектр радіохвиль умовно поділений на ділянки. Залежно від частоти та довжини радіохвилі поділяються на 12 піддіапазонів. Діапазон частот радіохвиль взаємопов'язаний із частотою змінного струму сигналу. радіохвиль у міжнародному регламенті радіозв'язку представлені 12 найменуваннями:

При збільшенні частоти радіохвилі її довжина зменшується, при зменшенні частоти радіохвилі збільшується. Поширення залежно від своєї довжини – це найважливіша властивість радіохвилі.

Поширення радіохвиль 300 МГц − 300 ГГц називають надвисокими НВЧ внаслідок їхньої досить високої частоти. Навіть піддіапазони дуже великі, тому вони, у свою чергу, поділені на проміжки, в які входять певні діапазони телевізійні та радіомовні, для морського та космічного зв'язку, наземного та авіаційного, для радіолокації та радіонавігації, для передачі даних медицини тощо. Незважаючи на те, що весь діапазон радіохвиль розбитий на області, зазначені межі між ними є умовними. Ділянки йдуть один за одним безперервно, переходячи один до одного, а іноді і перекриваються.

Особливості поширення радіохвилі

Поширення радіохвиль - це передача енергії змінним електромагнітним полем із однієї ділянки простору до іншої. У вакуумі радіохвиля поширюються з При впливі навколишнього середовища на радіохвилі поширення радіохвиль може бути утруднено. Це проявляється у спотворенні сигналів, зміні напряму поширення, уповільненні фазової та групової швидкостей.

Кожен із різновидів хвиль застосовується по-різному. Довгі краще можуть оминати перепони. Це означає, що діапазон радіохвиль може поширюватися площиною землі та води. Застосування довгих хвиль широко поширене в підводних та морських суднах, що дозволяє бути на зв'язку у будь-якій точці місцезнаходження в морі. На шістсот метрів із частотою п'ятсот кілогерців налаштовані приймачі всіх маяків та рятувальні станцій.

Поширення радіохвиль у різних діапазонах залежить від частоти. Чим менша довжина і вища частота, тим прямішим буде шлях хвилі. Відповідно, що менше її частота і більше довжина, то вона більш здатна огинати перепони. Кожен діапазон довжин радіохвиль має свої особливості поширення, проте на межі сусідніх діапазонів різкої зміни відмітних ознак не спостерігається.

Характеристика поширення

Наддовгі та довгі хвилі огинають поверхню планети, поширюючись поверхневими променями на тисячі кілометрів.

Середні хвилі схильні до більш сильного поглинання, тому здатні долати відстань лише 500-1500 кілометрів. При ущільненні іоносфери в даному діапазоні можливе передавання сигналу просторовим променем, який забезпечує зв'язок на кілька тисяч кілометрів.

Короткі хвилі поширюються лише на близькі відстані внаслідок поглинання їхньої енергії поверхнею планети. Просторові ж здатні багаторазово відбиватися від земної поверхні та іоносфери, долати великі відстані, здійснюючи передачу інформації.

Надкороткі здатні передавати великий обсяг інформації. Радіохвилі цього діапазону проникають крізь іоносферу в космос, тому для цілей наземного зв'язку практично непридатні. Поверхневі хвилі цих діапазонів випромінюються прямолінійно, не огинаючи поверхню планети.

В оптичних діапазонах можлива передача величезних обсягів інформації. Найчастіше зв'язку використовується третій діапазон оптичних хвиль. В атмосфері Землі вони схильні до згасання, тому в реальності передають сигнал на відстань до 5 км. Натомість використання подібних систем зв'язку позбавляє необхідності отримувати дозволи від інспекцій з електрозв'язку.

Принцип модуляції

Щоб передати інформацію, радіохвилю потрібно модулювати сигналом. Передавач випускає модульовані радіохвилі, тобто змінені. Короткі, середні та довгі хвилі мають амплітудну модуляцію, тому вони позначаються як АМ. Перед модуляцією несуча хвиля рухається із постійною амплітудою. Амплітудна модуляція для передачі змінює її амплітудою, відповідно напруги сигналу. Амплітуда радіохвилі змінюється прямо пропорційно до напруги сигналу. Ультракороткі хвилі мають частотну модуляцію, тому позначаються як ЧС. накладає додаткову частоту, яка містить інформацію. Для передачі сигналу на відстань його необхідно промодулювати високочастотним сигналом. Для прийняття сигналу потрібно відокремити його від хвилі, що піднесе. При частотній модуляції перешкод створюється менше, проте радіостанція змушена вести мовлення на УКХ.

Фактори, що впливають на якість та ефективність радіохвиль

На якість та ефективність прийому радіохвиль впливає метод спрямованого випромінювання. Прикладом може бути супутникова антена, яка направляє випромінювання в точку знаходження встановленого приймального датчика. Цей метод дозволив суттєво просунутися в галузі радіоастрономії та зробити безліч відкриттів у науці. Він відкрив можливості створення супутникового мовлення, бездротовим методом та багато іншого. З'ясувалося, що радіохвилі здатні випромінювати Сонце, багато планет, що знаходяться поза нашою Сонячною системою, а також космічні туманності та деякі зірки. Передбачається, що за межами нашої галактики існують об'єкти, що мають потужні радіовипромінювання.

На дальність радіохвилі, поширення радіохвиль впливають як сонячне випромінювання, а й метеоумови. Так, метрові хвилі, насправді, не залежать від метеоумов. А дальність поширення сантиметрових залежить від метеоумов. Походить через те, що водному середовищі під час дощу або при підвищеному рівні вологості в повітрі короткі хвилі розсіюються або поглинаються.

Також на їх якість впливають і перешкоди на шляху. У такі моменти відбувається завмирання сигналу, у своїй значно погіршується чутність чи взагалі пропадає кілька миттєвостей і більше. Прикладом може бути реакція телевізора на літак, що пролітає, коли блимає зображення і з'являються білі смуги. Це відбувається за рахунок того, що хвиля відбивається від літака і проходить повз антену телевізора. Такі явища з телевізорами та радіопередавачами частіше відбуваються у містах, оскільки діапазон радіохвиль відбивається на будинках, висотних вежах, збільшуючи шлях хвилі.

Думаю, всі крутили ручку радіоприймача, переключаючи між «УКХ», «ДВ», «СВ» і чули шипіння з динаміків.
Але окрім розшифровки скорочень, не всі розуміють, що ховається за цими літерами.
Давайте ближче познайомимося з теорією радіохвиль.

Радіохвиля

Довжина хвилі (λ) – це відстань між сусідніми гребенями хвилі.
Амплітуда(а) – максимальне відхилення від середнього значення при коливальному русі.
Період(T) - час одного повного коливального руху
Частота(v) - кількість повних періодів за секунду

Існує формула, що дозволяє визначати довжину хвилі за частотою:

Де: довжина хвилі(м) дорівнює відношенню швидкості світла(км/год) до частоти (кГц)

"УКВ", "ДВ", "СВ"

Наддовгі хвилі- v = 3-30 кГц (λ = 10-100 км).
Мають властивість проникати вглиб товщі води до 20 м і у зв'язку з цим застосовуються для зв'язку з підводними човнами, причому човну не обов'язково спливати на цю глибину, достатньо викинути радіо буй до цього рівня.
Ці хвилі можуть поширюватися аж до обгинання землі, відстань між земною поверхнею та іоносферою, представляє їм «хвильоводи», яким вони безперешкодно поширюються.

Довгі хвилі(ДВ) v = 150-450 кГц (λ = 2000-670 м).


Цей тип радіохвилі має властивість огинати перешкоди, використовується для зв'язку на великі відстані. Також має слабку проникаючу здатність, тому якщо у вас немає виносної антени, вам навряд чи вдасться зловити яку-небудь радіостанцію.

Середні хвилі(СВ) v = 500-1600 кГц (λ = 600-190 м).


Ці радіохвилі добре відбиваються від іоносфери, що знаходиться на відстані 100-450 км над поверхнею землі. Особливість цих хвиль у тому, що вдень вони поглинаються іоносферою та ефекту відбиття не відбувається. Цей ефект використовується практично для зв'язку, зазвичай на кілька сотень кілометрів у нічний час.

Короткі хвилі(КВ) v = 3-30 МГц (λ = 100-10 м).

Подібно до середніх хвиль, добре відбиваються від іоносфери, але на відміну від них, незалежно від часу доби. Можуть поширюватися на великі відстані (кілька тисяч кілометрів) за рахунок пере відображень від іоносфери і поверхні землі, таке поширення називають стрибковим. Передавач великої потужності для цього не потрібно.

Ультракороткі Хвилі(УКХ) v = 30 МГц – 300 МГц (λ = 10-1 м).


Ці хвилі можуть огинати перешкоди розміром кілька метрів, а також мають хорошу проникаючу здатність. За рахунок таких властивостей цей діапазон широко використовується для радіо трансляцій. Недоліком є ​​їхнє порівняно швидке згасання при зустрічі з перешкодами.
Існує формула, яка дозволяє розрахувати дальність зв'язку в УКХ діапазоні:

Приміром при радіотрансляції з останкинской телевежі заввишки 500 м на приймальну антену заввишки 10 м, дальність зв'язку за умови прямої видимості складе близько 100 км.

Високі частоти (ВЧ-сантиметровий діапазон) v = 300 МГц – 3 ГГц (λ = 1-0,1 м).
Чи не огинають перешкоди і мають хорошу проникаючу здатність. Використовуються в мережах стільникового зв'язку та wi-fi мережах.
Ще однією цікавою особливістю хвиль цього діапазону є те, що молекули води, здатні максимально поглинати їх енергію і перетворювати її в теплову. Цей ефект використовується у мікрохвильових печах.
Як бачите, wi-fi обладнання та мікрохвильові печі працюють в одному діапазоні і можуть впливати на воду, тому, спати в обійми з wi-fi роутером, тривалий час не варто.

Вкрай високі частоти (КВЧ-міліметровий діапазон) v = 3 ГГц – 30 ГГц (λ = 0,1-0,01 м).
Відбиваються майже всіма перешкодами, вільно проникають через іоносферу. За рахунок своїх властивостей використовуються у космічному зв'язку.

AM - FM

Найчастіше, приймальні пристрої мають положення перемикачів am-fm, що це таке:

AM- амплітудна модуляція

Це зміна амплітуди несучої частоти під впливом кодуючого коливання, наприклад голоси з мікрофона.
АМ – перший вид модуляції придуманий людиною. З недоліків, як і будь-який аналоговий вид модуляції, має низьку стійкість до перешкод.

FM- частотна модуляція


Це зміна несучої частоти під вплив кодуючого коливання.
Хоча, це теж аналоговий вид модуляції, але він має вищу завадостійкість ніж АМ і тому широко застосовується у звуковому супроводі ТБ трансляцій та УКХ мовленні.

Насправді описані видом модуляції мають підвиди, але їх опис не входить у матеріал цієї статті.

Ще терміни

Інтерференція- в результаті відбиття хвиль від різних перешкод, хвилі складаються. У разі складання в однакових фазах, амплітуда початкової хвилі може збільшитись, при складанні в протилежних фазах, амплітуда може зменшитися аж до нуля.
Це найбільше проявляється прийому УКХ ЧС і ТБ сигналу.


Тому, наприклад усередині приміщення якість прийому на кімнатну антену ТБ сильно «плаває».

Дифракція- явище, що виникає при зустрічі радіохвилі з перешкодами, внаслідок чого хвиля може змінювати амплітуду, фазу і напрямок.
Дане явище пояснює зв'язок на КВ та СВ через іоносферу, коли хвиля відбивається від різних неоднорідностей та заряджених частинок і тим самим змінює напрямок поширення.
Цим самим явищем пояснюється здатність радіохвиль поширюватися без прямої видимості, огинаючи земну поверхню. Для цього довжина хвилі має бути пропорційна перешкоді.

PS:

Сподіваюся, інформація, описана мною, буде корисна і принесе деяке розуміння з цієї теми.