Значение радиоволн. Радиоволны: применение и свойства. Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов

В настоящее время, когда прогресс не стоит на месте, постоянно усовершенствуется бытовая техника и вместе с этим в нашу жизнь входят новые бытовые приборы. К таким приборам можно отнести сотовые телефоны, спутниковое телевидение, микроволновые печи, лечебная аппаратура, а вместе с ними в нашу жизнь вошли радиоволны.

Радиоволнам было найдено разное применение во многих сферах жизнедеятельности. Хотя мы их и не видим, но они могут видеть очень многое. Например, радиоволны применяют в радиолокации. Благодаря подобным устройствам мы можем наблюдать предметы на большом расстоянии, их ещё называют гидролокаторы. В повседневной жизни мы также часто встречаемся с такими устройствами. Например, радар у милиционера, который направляет его на машины, чтобы измерить её скорость. Вообще во многих сферах деятельности можно встретить приборы, работающие на радиоволнах, но имеющие разные названия и применение. Например, у строителя или геодезиста прибор может называться «дальномер», у рыбака называется «эхолатор». Сразу возникает вопрос, «что же лежит в основе работы этих устройств?» А принцип работы заключается в том, что когда волна встречает препятствие, то она отражается. Антенны с большой скоростью в виде импульса излучают сигнал. Этот сигнал рассеивается и на пути своем встречает различные преграды, от которых он частично отражается и возвращается обратно. Специальный прибор подсчитывает вернувшуюся энергию и по её характеристиках выдает точную информацию об объекте.

Радиоволны открыты ещё в 19 веке , их наблюдал Герц в своих экспериментах, первые испытания прошли уже в 20 веке в Ленинграде. В зависимости от назначения, подобное оборудование можно применять в разных целях, например - радары применяют как в военных, так и в гражданских целях. Исследование радиоволн в различных диапазонах проводилось и проводится до сих пор, изобретения в сфере беспроводной передачи данных на большие дистанции позволили адаптировать радиоволны для домашнего использования. В данный момент спутниковое телевидение с успехом использует беспроводную передачу радиосигнала в KU-диапазоне. В обычном, гражданском использовании, радиочастоты встречаются везде, очень большое применение радарам нашли в аэрофлоте. Наверняка все видели крутящуюся тарелку в аэропортах, она и является помощником для диспетчера, который дает указания пилотам. Ведь благодаря ей диспетчер видит, с какой скоростью движется самолет, на какой высоте и с какой стороны. В настоящее время многие летательные, плавающие и ездящие аппараты имеют такое устройство, ведь это его глаза и уши. С развитием техники радиолокаторы тоже не стоят на месте, они видоизменяются, приобретают новые возможности, короче они усовершенствуются. Обработка сигнала и управление также усовершенствуются, что позволяет получать данные с высокой точностью. Да и изображение на экран со спутниковой картой местности стало возможно наблюдения и сопровождения конкретного объекта. Единственное, что не изменилось, это принцип работы радиолокации.

длиной волны.

f (частота) = с (скорость света) / λ (длина волны)

Радиочастоты

Распространение УКВ волн

Классификация радиоволн по диапазонам.

Радиоволны харак-тся длиной волны и частотой колебаний, использ. для их получения. В зависимости от длины волн измен. особен. распростр. и использ. радиоволн, поэтому весь спектр радиоволн подразд. на 9 отдель. диапаз., названия кот. даны по длинам волн.

ДВ В нач. своего развития РС велась почти исключ. на таких волнах. Но для связи на большие расс-ия при, помощи этих волн нужны передатчики огромной мощности. Кроме того, в диапаз. ДВ невозможна одноврем. работа большого числа радиостанций (без помех 10 станций). Единст. достоинством ДВ явл. то, что дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меняется мало. Такого постоянства у др. радиоволн нет. Сейчас на ДВ раб. небольшое число радиостанций, передающих сигналы точного времени и метеорологические сводки.

СВ. На этих волнах можно разместить без взаим. помех 150 РВ-ных станций. Приходится одну и ту же волну давать несколь. станциям, что приводит к взаим. помехам. Только в случае если станции, работающие на одинак. волнах, расположены на значит. расстоянии одна от другой, то взаим. помехи сказыв. слабо или их вовсе нет. В диапаз. СВ также раб. телеграф. радиостанции: морские, авиационные, военные.

КВ. На КВ раб. ведомствен. телеграф. и телефон. радиостанции. В диапаз. КВ можно разместить без взаим. помех 3000 РВ-ных станций, а радиотелеграф. станций гораздо больше, т.к. для них треб. более узкая полоса частот. КВ дают огромную дальность действия по сравнению с др. волнами при относит. небольшой мощности передатчиков. Недостатком КВ явл. сильная зависим. их распростр. от времени суток и времени года. В наст. время на КВ раб. множество радиостанций всех стран мира, в частности, РВ-ные и радиолюбительские станции.

УКВ волны занимают диапазоны метр., дециметр., сантиметр., миллиметр. и децимиллиметр. волн. УКВ, назыв. иначе УВЧ или СВЧ, прим. для связи наземных радиостанций при сравнит. небольших расстояниях. В УКВ диапаз. можно разместить очень много радиостанций без взаим. помех. УКВ можно излучать узким пучком, в определ. направлении, подобно лучам прожектора, что позволило успешно применить их в радиолокации. В наст. время УКВ широко использ. для связи, радиолокации, радионавигации и в др. обл. науки и техники.

В диапаз. №4 с примен. АМ можно организ. только 3-х канальную ТЛФ радиолинию. В этом диапаз. нельзя организ. высококачествен. передачу даже 1-го канала вещания. Поэтому для этих целей использ. диапаз. волн с более высок. №. Для ТВ вещания №8, для РВ №5 и выше и т.д., а для организ. многоканаль. радиолинии обычно использ. диапаз. УКВ (8 диапаз.и выше). Поскольку РРЛ явл. многоканаль. радиолинией, то и несущие частоты выбирают в диапаз. УКВ.

Принципы радиосвязи.

Высокочастот. эл.маг. волна хорошо распростр. в пространстве, а низкочастот. сигналы голоса и музыки нет. Таким образом в радио сигналы голоса и музыки модулируют высокочастот. несущую в несколько сотен кГц, и этот модулирован. высокочастот. сигнал затем передается.

Модуляция это процесс, при кот. высокочастот. волна использ. для переноса низкочастот. волны.

На приемнике эта модулирован. высокочастот. волна демодулируется для получ. изначальных сигналов голоса и музыки. Сущест. 3 параметра несущей, которые можно изменять: амплитуда, частота и фаза. И, соответственно модуляции: амплитудная, фазовая, частотная.

На 1 граф. представл. измен. давления воздуха Р 1 около микрофона. На 2 граф. показыв. соответствующее изменение тока I 1 в микрофоне. На 3 граф. показано измен. радиочастоты I 2 , который затем создает эл.маг. волны. Колебания радиочастоты в системах РС служат переносчиком сигнала и назыв. несущими колебаниями. Управление несущими колебаниями по закону передаваемого электрич. сигнала назыв. модуляцией. Получаемые при помощи модуляции радиочастот. колебания, несущие в себе сообщение назыв. модулирован. колебаниями (граф. 3). Модулирован. радиочастот. колебания назыв. радиосигналом. Радиосигнал преобразуется в эл.маг. волны, кот. излучаются передатчиком посредством передающей антенны. Радиоволны распростр. в пространстве и достигают пункта приема. Радиоволны воздейст. на прием. антенну, в результ. чего в радиоприемнике возникает ток радиочастоты I 3 (граф. 4), подобный передаваемым колебаниям. Поскольку в место приема попадает очень малая часть излученной передатчиком энергии, ток I 3 в сотни млн. раз слабее токов I 2 и непосредственно использ. не может. Он должен быть усилен и подвергнут преобразованию. На граф. 5 показана сила тока I 4 . Этот ток пропускается ч/з телефон или громкоговоритель, в результ. чего он вызывает давление воздуха Р 2 . Получаются звук. колебания и воспроизвод. переданное сообщение. Обратная модуляция преобразования модулирован. колебаний в исходный электрич. сигнал назыв. детектирование (демодуляция).

Фидеры и волноводы.

Электрич. цепь и вспомогат. устройства, с помощью которых энергия радиочаст. канала подводится от радиоПРД к антенне или от антенны к радиоПР, назыв. фи­дером .

Фидеры – это линии питания, которые передают энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к ПР (в режиме приёма). Основ. требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом ПРД-ка (для max-ой отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа ПР-ка с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки – условие max-ой отдачи мощности в нагрузку ПР-ка. В зависим. от диапаз. радиоволн примен. различные типы фидеров: двух или много-проводные воздушные фидеры; волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений; линии с поверхностной волной и др. Конструкция фидера зависит от диапазона передаваемых по нему частот. При передаче эл.маг. энергии по линии стре­мятся уменьш. излучение самой линии. Для этого провода линии располаг. //-но и по возмож­. ближе друг к другу. При этом поля 2-х одинак. по значе­нию, но противоположно направленных токов взаимно компенсируют­ся и излучения энергии в окружающее пространство не происходит. При создании антенны ставится противоположная задача: получение возможно большего излучения. Для этого использ. те же длинные линии, устранив одну из причин, лишающих фидер излу­чающих св-тв. Можно, например, раздвинуть провода линии на не­который ے, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана раб. V-образных и ромбических ан­тенн, излучающие провода кот. располож. под острым ے один к другому, и симметричного вибратора, полу­чающегося при разведении проводов на 180°. Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устранить, исключив его из с-мы. Это приводит к по­луч. несимметрич. виб­ратора. Все антен­ны, использ. этот принцип работы, относятся к классу не­симметрич. антенн. К ним также принадл. Г-образные и Т-образные антенны. Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтека­ются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Для этого необходимо создать фазовый сдвиг в половину дли­ны волны, например за счет неизлучающего шлейфа. На таком принципе основаны синфазные антенны. Фидер будет излучать, если расс-ия м/у проводами по неко­торым направлениям приобретают значит. разность хода. Можно так подобрать расс-ие м/у проводами, что по некоторым направлениям произойдет сложение волн от обоих прово­дов. Это использ. в противофазных ан­теннах.

Волновод – искусствен. или естествен. канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области. Типы волноводов:

1) Экранированные. Различают экранир. волноводы с хорошо отражающими стенками, к кот. относят волноводы металлические, направляющие эл.маг. волны, а также коаксиальные и многожильные экранирован. кабели, хотя последние обычно относят к линиям передачи (длинным линиям). К экранир. волноводам относят также волноводы акустические с достаточно жёсткими стенками.

2) Неэкранированные. В открытых (неэкранир.) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутрен. отражения от границ раздела 2-х сред (в волноводах диэлектрических и простейших световодах) либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звук. канал). К открытым волноводам принадл. и с-мы с поверхност. волнами, направляемыми границами раздела сред.

Основ. св-во волновода – существ. в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора нормальных волн (мод), распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями. Почти все моды облад. дисперсией, т.е. их фазовые скорости зависят от частоты и отлич. от групповых скоростей. В экранир. волноводе фазовые скорости обычно превыш. скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны назыв. быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Эти волны назыв. утекающими. В открытых волноводах распростр. медленные волны, амплитуды кот. быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Звуковое радиовещание (ЗВ). Возникновение и развитие ЗВ в РФ.

С-ма ЗВ представл. собой организа­ционно-технич. комплекс, обеспечивающий формирование и пе­редачу звук. информации общего назнач. широкому кругу тер­риториально рассредоточенных абонентов (слушателей).

Первые опыты по передаче с помощью радио сигналов 3В проводились еще в начале XX столетия. С 1924г. началось регулярное AM звукового вещания и интенсивное строительство РВ станций AM вещания. Первые РВ станции раб. в диапаз. ДВ и использ. амплитудную модуляцию (АМ). Узкая полоса частот и взаимные помехи м/у станциями, использующими один и тот же частотный канал, не позвол. обеспеч.ь прием вещательных программ с высоким качеством. Устранить помехи можно было путем повыш. стабильности частоты РВ станций, сниж. уровней внеполосных излучений и улучш. избирательности ПР-ов. Для повыш. эффективности использования радиочастот. спектра в сетях AM вещания в начале 30-х гг. начал. исследования вопросов создания синхронных сетей 3В, в кот. все передающие станции сети, обслуживающие определ. терр-ию, работают на одной частоте с весьма высокой стабильностью и передают одну и ту же программу. В СССР синхрон. сети в диапаз. средних частот (СЧ) начали создав. в 1950г. Использование синхрон. сетей позволяло примен. в них маломощные ПРД-ки и исключить в темное время суток нелинейные и частотные искажения в зонах интерференции земного и пространст. луча. Заметно повышалась также и надежность вещания. В 1946г. начало развиваться частотно-модулированное (ЧМ) радиовещание в СССР, т.к. в сетях ЧМ вещания обеспечив. более высокое качество приема вещатель. сигналов и более просто решаются вопросы обеспечения их эл.маг. совместимости. В с-мах ЧМ вещания расширялась полоса частот передаваемых вещатель. сигналов. С 40-х гг. в диапаз. МВ (очень высокие частоты – ОВЧ) начинается создание сетей ЧМ вещания. Одним из путей повыш. качества РВ было создание стереофонич. с-м, в кот. достигается большая естественность звучания музыкальных программ. В стереос-мах для передачи по каналу связи формируются сигналы в двух разнесенных в пространстве микрофонах. Необходимая полоса частот канала связи для этих с-м шире, чем для AM вещания и поэтому организация стереовещания началась в сетях ОВЧ-ЧМ вещания. В 1955г. началась опытная передача стереофонич. программ по радио. В 1963г. была внедрена с-ма звукового стереофонич. вещания с полярной модуляцией. В конце 60-х гг. начинается внедрение цифровых методов передачи с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) сигналов вещания по спутниковым трактам распределения программ 3В. В 70-х гг. началось внедрение синхронного вещания и азработка квадрафонических аналоговых с-м вещания. В 80-х гг. началась разработка и экспериментальные исследования с-мы наземного цифрового вещания. С конца XX в. совершенствование с-м вещания идет по пути разработки цифровых с-м, в которых может быть обеспечено весьма высокое качество воспроизведения речи и музыки. Цифровые РВ с-мы позволяют создавать сети вещания с высокой эффективностью использования радиочастотного спектра. В первом десятилетии XXI в. в сетях вещания во многих странах осуществлен переход от аналоговых с-м к цифровым.

Структурные элементы с-мы ПВ. Узел ПВ (УПВ), радиотрансляционный узел (РТУ). Преимущества с-мы ПВ.

ПВ – с-ма, сост.из ком­плекса аппаратуры и сооружений, с помощью кот.сигналы ЗВ распред.по проводным сетям и поступ.к слушателям. Основ.структур.элемент с-мы ПВ – УПВ или РТУ. УПВ содер­.комплекс оборуд-я для приема, преобразов., усиления и передачи по проводам программ ЗВ. Оборуд-е узла сост.из станцион.оборуд-я, ли­нейных сооруж. и абонент.устройств (АУ ).

Станц.оборуд-е обеспеч.получ.мощности, необход.для норм.работы всех АУ. Осн.элементами станц.оборуд-я узлов 1-програм.вещания явл.усилители звук.частоты, а узлов 3-хпрограм.вещания – еще и передатчики. К станц. оборуд-ю относ.аппаратура регулирования передаваемых сигналов, контроля, управления, коммутации и элек­тропитания.

Совокупность линейных сооруж.образ.сеть ПВ или РТС. Она сост.из с-мы 2-хпроводных линий и вспомогат.устр-в, с помощью кот.энергия сигналов ЗВ перед.от усилите­лей и передатчиков к АУ.

АУ явл.абонент.громкого­в-ли для 1-програм.сетей и 3-хпрограм.громкогов-ли для сетей 3-хпрограм.вещания. 3-хпрограм.громкогов-ль явл.комбинацией абонент.громкогов-ля с приемником высокочаст.сигналов 2-ой и 3-ей программ.

С-ма ПВ в нашей стране развив.как 1-програм. При разраб. 3-хпрограм.с-мы ПВ прим.организация многопрограм.вещания с частотным раздел.каналов на базе сети 1-програм.ПВ. Одна программа передается сигналами в полосе звук.частот 50-10000Гц. Для передачи 2-х др.программ использ.токи высокой частоты. Многопрограм.ПВ можно организ.в спектре звук.частот или путем переноса спектра в высокочаст.область. В 1-ом случае сигналы программ перед.по многопарной линии в полосе звук.частот, во 2-ом – в многоканаль.с-­ме передачи использ. частотное раздел.каналов. Сущ.с-мы многопрограм. ПВ по телефон.сетям. Также с-му ПВ можно организ.и на базе ТВ-ой распределит.сети. Возможно дальней.развит. сетей ПВ будет основ.на созд.совмещенных с-м, в кот.будут использ.кабельные коммуникации ГТС и проводного ТВ.

Преимущества с-мы ПВ:

1)Отсут.по­мех, ухудшающих качество радиоприема в диапаз.ДВ, СВ, KB и MB. Это помехи атмосфер.и промыш.происхожд., помехи от др. станций, работающих в совмещенном частот.канале. В диапаз.МВ существенны помехи, вызван.отра­ж. радиоволн от многоэтажных зданий со стальным или желе­зобетонным каркасом.

2)Экономические показатели ПВ , чем РВ. Передача энергии сигналов с помощью линий ПВ уменьш.потери энергии. Расход материала на изготовл.АУ ПВ меньше расхода материалов на изготов­л.радиоприемника. Удель.капиталь.затра­ты на строительство усилителя ПВ, меньше удель.капиталь.затрат на строительство передающих радиовещат.центров, а удель.расход электроэнергии меньше аналогичного показателя для индивидуаль. радиоприемника, т.к. КПД оконечных усили­телей ПВ много больше КПД радиовещат.передатчиков.

3)АУ ПВ проще в обращении, надежнее и дешевле радиоприемника. Расходы абонента ПВ на электропитание АУ незначит.или вообще отсут.

4)Качество воспроизведения вещатель.программы абонент­.устройством ПВ выше, чем качество воспроиз­ведения массовым радиоприемником.

5)Кол-во вещатель.программ, передаваемых в пределах заданной терр-ии, ограничено из-за недостатка радиоканалов. Использ.с-м ПВ позвол.увелич. число программ.

6)С помощью с-мы ПВ легко организовать местное вещание в пределах одного нас.пункта.

7)С-ма ПВ явл.хорошим средством оповещ. населения о стихийных бедствиях, т.к. она всегда готова к действию.

Преимущества ПВ привели к тому, что оно продолжает успешно раз­виваться.

Диапазоны радиоволн. Длина волны. Радиочастоты. Особенности распространения радиоволн различной длины.

Радиоволны харак-тся длиной волны и частотой колебаний, используемых для их получения. Растоян., на кот. распростр. волна за время одного колебания тока в антенне, назыв. длиной волны.

λ (длина волны) = с (скорость света 3*10 8) / f (частота)

Длина волны зависит от частоты колебаний (или периода колебаний Т) тока в антенне. Чем больше частота тока в антенне, тем меньше длина излучаемых радиоволн, и наоборот. Зная длину волны, нетрудно вычислить частоту тока в антенне.

f (частота) = с (скорость света) / λ (длина волны)

В зависим. от длины радиоволн измен. особен. их распростр. и использ., поэтому весь спектр радиоволн разбивают на отдель. диапаз., имеющие неодинаковые св-ва.

Радиочастоты – частоты или полосы частот в диапазоне 3кГц–3000ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответ. частоте перемен. тока электрич. сигналов для вырабатывания и обнаруж. радиоволн. Ра­диоспектр подразд. на 9 диапаз.

Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверх. радиоволны) и под углом к горизонту (пространст. радиоволны).

Распространение мириаметровых и километровых волн (сверх­длинных и длинных) хорошо огибают поверхности, значительно поглощается земной поверхностью. Недостаток: большой уровень атмосферных помех и невозможность размещения в этих диапазонах большого числа каналов связи.

Распространение гектометровых (средних) волн Ограниченная дальность распространения, увеличивается в ночное время. Недостаток: большой уровень атмосферных и промышленных помех.

Распространение декаметровых (коротких) волн Сильно погращаются поверхностью земли. Является экономичным способом дельней связи, позволяют осущетвлять связь на большие растояния. Недостаток: наличие замираний и образование зоны молчания.

Распространение УКВ волн Не отражаются от ионосферы, явления дифракции практически не наблюдается. В нижних слоях атмосферы происходит сильное затухание УКВ (затух. с ↓ длины волны). Распростаняются значительно дельше прямой видимости

С частоты ухудш. дифракция (огибание) радиоволнами препятствий. Хорошо огиб. землю СДВ и ДВ. Дифракция на КВ не играет заметной роли, т.к. эти волны поглощ. раньше, чем станет ощутимой кривизна земли. УКВ ди­фракция практич. не свойст. и они не могут огибать вы­пуклости земной поверх. СВ отлич. боль­шим уровнем атмосфер. и промыш. помех.

Если бы Максвелл не предсказал существование радиоволн, а Герц не открыл их на практике, наша действительность была бы совсем другой. Мы не могли бы быстро обмениваться информацией при помощи радио и мобильных телефонов, исследовать далёкие планеты и звёзды с помощью радиотелескопов, наблюдать за самолётами, кораблями и другими объектами с помощью радиолокаторов.

Каким же образом радиоволны помогают нам в этом?

Источники радиоволн

Источниками радиоволн в природе являются молнии – гигантские электрические искровые разряды в атмосфере, сила тока в которых может достигать 300 тысяч ампер, а напряжение – миллиарда вольт. Молнии мы наблюдаем во время грозы. Кстати, они возникают не только на Земле. Вспышки молний были обнаружены на Венере, Сатурне, Юпитере, Уране и других планетах.

Практически все космические тела (звёзды, планеты, астероиды, кометы и др.) также являются естественными источниками радиоволн.

В радиовещании, радиолокации, спутниках связи, стационарной и мобильной связи, различных системах навигации применяются радиоволны, полученные искусственным путём. Источником таких волн служат высокочастотные генераторы электромагнитных колебаний, энергия которых передаётся в пространство с помощью передающих антенн.

Свойства радиоволн

Радиоволны – это электромагнитные волны, частота которых находится в интервале от 3 кГц до 300 ГГц, а длина - от 100 км до 1 мм соответственно. Распространяясь в среде, они подчиняются определённым законам. При переходе из одной среды в другую наблюдается их отражение и преломление. Присущи им и явления дифракции и интерференции.

Дифракция , или огибание, происходит, если на пути радиоволн встречаются препятствия, размеры которых меньше длины радиоволны. Если же их размеры оказываются бόльшими, то радиоволны отражаются от них. Препятствия могут иметь искусственное (сооружения) или природное (деревья, облака) происхождение.

Отражаются радиоволны и от земной поверхности. Причём, поверхность океана отражает их примерно на 50% сильнее, чем сýша.

Если препятствие является проводником электрического тока, то какую-то часть своей энергии радиоволны отдают ему, а в проводнике создаётся электрический ток. Часть энергии расходуется на возбуждение электротоков на поверхности Земли. Кроме того, радиоволны расходятся от антенны кругами в разные стороны, подобно волнам от брошенного в воду камешка. По этой причине радиоволны со временем теряют энергию и затухают. И чем дальше от источника находится приёмник радиоволн, тем слабее сигнал, дошедший до него.

Интерференция, или наложение, вызывает взаимное усиление или ослабление радиоволн.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света (кстати, свет – это тоже электромагнитная волна).

Как и любые электромагнитные волны, радиоволны характеризуются длиной и частотой волны. С длиной волны частота связана соотношением:

f = c/ λ ,

где f – частота волны;

λ - длина волны;

c - скорость света.

Как видим, чем больше длина волны, тем меньше её частота.

Радиоволны разбиваются на следующие диапазоны : сверхдлинные, длинные, средние, короткие, ультракороткие, миллиметровые и децимиллиметровые волны.

Распространение радиоволн

Радиоволны разной длины распространяются в пространстве не одинаково.

Сверхдлинные волны (длина волны от 10 км и более) легко огибают большие препятствия вблизи поверхности Земли и очень слабо поглощаются ею, поэтому энергии они теряют меньше других радиоволн. Следовательно, затухают они также гораздо медленнее. Поэтому в пространстве такие волны распространяются на расстояния до нескольких тысяч километров. Глубина их проникновения в среду очень велика, и их используют для связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине, а также для различных исследований в геологии, археологии и инженерном деле. Способность сверхдлинных волн легко огибать Землю позволяет исследовать с их помощью земную атмосферу.

Длинные , или километровые , волны (от 1 км до 10 км, частота 300 кГц – 30 кГц) также подвергаются дифракции, поэтому способны распространяться на расстояния до 2 000 км.

Средние , или гектометровые , волны (от 100 м до 1 км, частота 3000 кГц – 300 кГц) хуже огибают препятствия на поверхности Земли, сильнее поглощаются, поэтому гораздо быстрее затухают. Они распространяются на расстояния до 1 000 км.

Короткие волны ведут себя иначе. Если мы настроим автомобильный радиоприёмник в городе на короткую радиоволну и начнём двигаться, то по мере удаления от города приём радиосигнала будет всё хуже, а на расстоянии примерно 250 км он прекратится совсем. Однако спустя некоторое время радиотрансляция возобновится. Почему так происходит?

Всё дело в том, что радиоволны короткого диапазона (от 10 м до 100 м, частота 30 МГц – 3 МГц) у поверхности Земли затухают очень быстро. Однако волны, уходящие под большим углом к горизонту, отражаются от верхнего слоя атмосферы – ионосферы, и возвращаются обратно, оставляя позади себя сотни километров «мертвой зоны». Далее эти волны отражаются уже от земной поверхности и снова направляются к ионосфере. Многократно отражаясь, они способны несколько раз обогнуть земной шар. Чем короче волна, тем больше угол отражения от ионосферы. Но ночью ионосфера теряет отражательную способность, поэтому в тёмное время суток связь на коротких волнах хуже.

А ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые с длиной волны короче 10 м), не могут отражаться от ионосферы. Распространяясь прямолинейно, они пронизывают её и уходят выше. Это их свойство используют для определения координат воздушных объектов: самолётов, стай птиц, уровня и плотности облаков и др. Но и огибать земную поверхность ультракороткие волны тоже не могут. Из-за того что они распространяются в пределах прямой видимости, их применяют для радиосвязи на расстоянии 150 – 300 км.

По своим свойствам ультракороткие волны близки к световым волнам. Но световые волны можно собрать в пучок и направить его в нужное место. Так устроены прожектор и фонарик. Точно так же поступают и с ультракороткими волнами. Их собирают специальными зеркалами-антеннами и узкий пучок посылают в нужном направлении, что особенно важно, например, в радиолокации или спутниковой связи.

Миллиметровые волны (от 1 см до 1 мм), самые короткие волны радиодиапазона, схожи с ультракороткими волнами. Они также распространяются прямолинейно. Но серьёзной помехой для них являются атмосферные осадки, туман, облака. Кроме радиоастрономии, высокоскоростной радиорелейной связи они нашли применение в СВЧ технике, используемой в медицине и в быту.

Субмиллиметровые , или децимиллиметровые, волны (от 1 мм до 0,1 мм) по международной классификации также относятся к радиоволнам. В природных условиях они почти не существуют. В энергии спектра Солнца занимают ничтожно малую долю. Поверхности Земли не достигают, так как поглощаются парами воды и молекулами кислорода, находящимися в атмосфере. Созданные искусственными источниками, применяются в космической связи, для исследования атмосфер Земли и других планет. Высокая степень безопасности этих волн для организма человека позволяет применять их в медицине для сканирования органов.

Субмиллиметровые волны называют «волнами будущего». Вполне возможно, что они дадут учёным возможность изучать строение молекул веществ совершенно новым способом, а в будущем, может быть, даже позволят управлять молекулярными процессами.

Как видим, каждый диапазон радиоволн применяется там, где особенности его распространения используются с максимальной пользой.

ЧТО ТАКОЕ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати, свет это тоже электромагнитные волны, обладающие схожими с радиоволнами свойствами (отражение, преломление, затухание и т.п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны в метрах рассчитывается по формуле:

Или примерно ,
где f – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что длина волны напрямую влияет на длину антенны для радиосвязи.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волн встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить. Вспомните военную технологию снижения заметности «Stealth», в рамках которой разработаны соответствующие геометрические формы, радиопоглощающие материалы и покрытия для уменьшения заметности объектов для локаторов.

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРА

Радиоволны, используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.

Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Распределение спектра между различными службами.

Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:

Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.

В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.

КАК РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.

Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

Распространение длинных и коротких волн.

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.

Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.

Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.

Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток.

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.

Распространение коротких и ультракоротких волн.

Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).

Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.

При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.

Параболическая направленная спутниковая антенна (фото с сайта ru.wikipedia.org).

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает затухание и поглощение энергии в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, ограничивающей дальность связи.

Мы выяснили, что радиоволны обладают различными свойствами распространения в зависимости от длины волны и каждый участок радиоспектра применяется там, где лучше всего используются его преимущества.

А что собой представляют радиоволны ? Образно представить можно, но мне захотелось узнать об этом явлении побольше. Сразу хочу сказать, что во всем прочитанном нет такого, что перевернет мир, или вас. Это статья что бы вспомнить, или чтобы узнать, если вы новичок,

Радиоволны делятся на частотные диапазоны это: длинные волны , средние волны , короткие волны , и ультракороткие волны .

Волны этого диапазона называются длинными, поскольку их низкой частоте соответствует большая длина волны. Они могут распространяться на тысячи километров, так как способны огибать земную поверхность. Поэтому многие международные радиостанции вещают на длинных волнах.

Распространяются не на очень большие расстояния, поскольку могут отражаться только от ионосферы (одного из слоев атмосферы Земли). Передачи на средних волнах лучше принимают ночью, когда повышается отражательная способность ионосферного слоя.

Многократно отражаются от поверхности Земли и от ионосферы, благодаря чему распространяются на очень большие расстояния. Передачи радиостанции, работающей на коротких волнах, можно принимать на другой стороне земного шара.

Ультракороткие волны (УКВ) могут отражаться только, от поверхности Земли и потому пригодны для вещания лишь на очень малые расстояния. На волнах УКВ-диапазона часто передают стереозвук, так как на них слабее помехи.

Вот на рисунках вверху волна изображена в виде полосы, а вот как она выглядит на самом деле.

Длинные волны - - - - - Короткие волны
150-300 кГц - - - - - 2300-26 100 кГц
(1000 - 2000 м) - - - - - (11 - 130 м)

Средние волны - - - - - Ультракороткие волны
525 - 1700 кГц - - - - - 87 - 108 МГц
(180 - 570 м) - - - - - (2,5 - 3,5 м)

Ну ладно допустим, все это поняли, поговорим о передатчиках и антеннах.

Передатчик излучает радиоволны модулированными, т. е. измененными так, что они несут звуковой сигнал.

Модуляция . Чтобы радиоволны несли сигнал звуковой частоты, их модулируют этим сигналом. Модуляция бывает двух видов: амплитудная (АМ) и частотная (ЧМ) . О модуляции ниже.

Амплитудная - - - - - Частотная
модуляция - - - - - модуляция

В антенне под воздействием радиоволн возникают электрические колебания той же частоты, что и у радиоволны. Скажем, антенна расположена в верхней части башни передающего радиоцентра. Электрический ток, проходящий по антенне то вверх, то вниз, возбуждает радиоволны, которые расходятся во всех направлениях. Передающие антенны устанавливают на возвышенных местах, чтобы увеличить дальность передачи.

Здесь упоминалось слово частота, если кто-то забыл то:

Частота - это число повторений чего-либо в единицу времени. Частота волны - это число ее максимумов, проходящих за одну секунду через фиксированную точку. Частота измеряться в герцах (Гц). Один герц - это одно повторение в секунду.

Расскажу об Амплитуде, так как это надо знать, чтобы понять АМ и ЧМ.

Амплитуда - это максимальное отклонение от положения равновесия при колебаниях.
Так, амплитуда волны, бегущей по поверхности воды, равна высоте ее гребня над поверхностью.

При такой модуляции изменяют амплитуду несущей волны в соответствии с напряжением сигнала звуковой частоты. Амплитуда несущей волны увеличивается, когда увеличивается напряжение сигнала звуковой частоты, и уменьшается, когда уменьшается это напряжение. До модуляции несущая волна имеет постоянные амплитуду и частоту. Ее частота намного больше звуковой частоты.