Диапазон волн – Радиоволны — Википедия

Радиоволны и распространение радиоволн

В данной статье расскажем вам про радиоволны и свойства их распространения.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Начнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром.

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

– синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ. Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в мощности колебаний и длине волны. В частности Тесла имел дело с радиоволнами. Фактически он и является изобретателем радио, а не Маркони с Поповым. Последние смогли описать радиоволны, поэтому их и считают изобретателями радио. Тесла был первооткрывателем, но у него в те времена не было научных объяснений, которые намного позже появились у Попова и Маркони. Кроме того, они использовали радиоволны в практических полезных целях. Тесла, в своё время писал о переносе информационного сигнала с помощью передатчика и приемника, но увлёкшись молниями, дойти до изобретения их практических устройств просто не успел. Резонный вопрос, а что же колеблется в электромагнитных волнах? Отвечу, далеко не углубляясь в ядерную физику, это фотоны – сгустки энергии, обладающие электромагнитным полем, но не обладающие массой. Именно эти свойства позволяют фотонам быть переносчиками энергии. Учёные-ядерщики и дальше «раскладывают» фотоны на составляющие элементы. Мы не будем продолжать этот ход мыслей, пожелаем им успехов, потому что это не по теме статьи. Если Вы противник считать что «эфир», это – электромагнитные волны, тогда попытайтесь принять, что «эфир» это – фотоны, а электромагнитные волны, это по своей сути — направленный поток фотонов.

Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну. Первым действующим источником радиоколебаний, изобретённым человеком и используемым с очевидным и рациональным успехом, был радиопередатчик-радиоприёмник Маркони (или Попова), использующий в качестве высокочастотного генератора – высоковольтный накопитель с искровым разрядником, подключенным на антенну — обыкновенный вибратор Герца.

схема передатчика и приемника Попова — Маркони

 

Свойства распространения электромагнитных волн

 

Дальность распространения электромагнитной волны зависит от частоты колебания переменного электрического тока (электромагнитного колебания). На частотах от единиц до тысяч Герц, соответствующих звуковому диапазону волн, электромагнитная волна, созданная в пространстве с помощью индуктивности, распространяется на расстояние, не превышающее одного-двух десятков метров, поэтому полезного практического применения не имеет. На частотах от сотен килогерц и выше, что соответствует диапазонам радиоволн, электромагнитная волна способна распространяться более чем на тысячи километров.

Дальность распространения электромагнитной волны так же зависит от мощности протекающего по проводнику тока. Как было указано ранее, низкочастотная электромагнитная волна полезного практического применения не имеет, но зато имеет вредное влияние. В качестве примера вредного влияния можно привести влияние высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) с напряжением в несколько десятков тысяч вольт на радиоприёмник проезжающего мимо автомобиля. Вокруг высоковольтных проводов формируется мощное электромагнитное поле, которое значительно превосходит по амплитуде электромагнитные колебания удалённых радиостанций и в приемнике вместо радиостанции слышен низкочастотный гул сетевого напряжения. Другой случай, когда происходит «глушение» радиоприёмника вблизи силовых линий электропередач при сетевом напряжении всего в 380 вольт, но токе свыше 100 ампер. В первом случае у нас большое напряжение, а во втором — большой ток. Из учебника физики средней школы известно, что мощность электрического тока в проводнике связана с напряжением и током через выражение

Р=U*I. А чем больше мощность, тем дальше распространение электромагнитного поля и как следствие – электромагнитной волны, образуемой электромагнитным полем. Этим и объясняется влияние мощности на дальность распространения.

Почему волна, про которую здесь пишется, называется электромагнитной?

Потому, что она состоит из электрического и магнитного синусоидального колебания. Эти два вида колебаний ориентированы в пространстве друг относительно друга перпендикулярно – ровно на 90 градусов.
Когда электрическая волна «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную горизонтальную поляризацию.

Когда электрическая волна «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную вертикальную поляризацию.

Если электрическая волна (соответственно и магнитная волна) имеет наклон относительно линии горизонта – угол не равный нулю или 90 градусов, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет

линейную наклонную поляризацию.

Существует так же другой вид поляризации, используемый для повышения дальности передачи (приема) и лучшей помехозащищённости радиоприёмной аппаратуры – круговая поляризация – вид поляризации электромагнитной волны, при котором за один период электромагнитного колебания радиоволна делает полный оборот на 360 градусов. Один из видов круговой поляризации – эллиптическая поляризация — «приплюснутая» в одной из плоскостей круговая поляризация.

Все указанные виды поляризации определяются устройством и ориентированием радиоантенны.

Практическая важность поляризации заключается в том, что если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой, или её вообще не будет.

Примером использования поляризации света – как вида электромагнитных колебаний является 3D-кинотеатр. Принцип действия систем 3D-видеоизображения основан на следующем: Фильм снимается на кинокамеры (видеокамеры) разнесённые в пространстве, как два глаза человека. При его показе в кинотеатре, два независимых проектора закрываются поляризационными светофильтрами, точно такие же светофильтры в виде плёнок стоят в очках кинозрителей. Правый проектор и правый глаз зрителя прикрыты светофильтром с вертикальной поляризацией, а левый проектор и глаз – фильтром с горизонтальной поляризацией. Таким образом, правый глаз видит картинку от правого проектора, а левый глаз от левого. В качестве фильтров могут использоваться и другие варианты разделения световых волн, но статья не об этом, поляризация света – один из способов селекции электромагнитных волн.

 

Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек. В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра – 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Типичным примером этому является микроволновая печь, разогревающая молекулы воды, содержащиеся в подогреваемой пище. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Немаловажным, являются свойства радиоволн распространяться в зависимости от их длины волны. Напомню, длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света):

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

 

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

 

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ», включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ».

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию, что на английском звучит — amplitude modulation, и у буржуев обозначаются как — «АМ». Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит — frequency modulation, и у буржуев обозначаются как — «FМ» (по нашему «ЧМ»).

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).

Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее(лучше по прямой) радиоволна распространяется.

Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.

Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.

Короткие волны распространяются «скачками», периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности.

Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна.

Простым примером использования длинноволнового диапазона является радиосвязь с подводными лодками. Для того, чтобы не быть замеченной противником выходя на связь с командованием флота, лодка всплывает на очень короткое время. Но если бы волны, используемые для связи с подводной лодкой распространялись бы «скачками», то не в любой точке земного шара была бы связь. А на практике, в каком бы месте земного шара лодка бы не всплыла, связь появляется сразу. Конечно в последнее время с развитием техники, подводные лодки используют различные диапазоны, в том числе космическую связь (через спутники связи) на СВЧ-диапазоне.

Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

От одного и того же радиопередающего устройства радиоволны отраженные от земной поверхности могут встретиться с неотражёнными волнами, или волнами, отражёнными от другого участка земной поверхности, или верхних слоёв атмосферы. В этом случае, происходит синфазное сложение радиоволн, или противофазное вычитание. В результате, в вертикальной плоскости пространства образуется изрезанная косекансная диаграмма направленности антенны. При синфазном переотражении радиоволн от земной поверхности на этих участках образуются зоны максимального переотражения – зоны Френеля. Если радиопередатчик имеет всенаправленную антенну (например штыревую), то зоны Френеля будут представлять из себя много колец на поверхности земли различного диаметра, в центре которых находится антенна. Диаметр колец может быть от десятков метров, до нескольких километров.

Для Вашей эрудиции: До военной агрессии в Югославии, американцы придавали большое значение противорадиолокационным ракетам, как средству уничтожения радаров противника. Противорадиолокационная ракета имеет самонаводящуюся радиоголовку, которая наводит ракету на сигнал радара. Но после этой своей миротворческой операции по превращению Югославии в марионеточное государство, они стали перевооружаться на ракеты с тепловыми головками самонаведения. Оказалось, что головки самонаведения противорадиолокационных ракет наводились на зоны Френеля, которые у вращающегося радара всё время меняются, в результате чего вычислитель ракеты не правильно определял координаты радара, и в лучшем случае ракета падала в одну из зон Френеля. Так, купленный у Советского Союза ещё в 80-х годах радар метрового диапазона волн, более 50 суток войны надежно обеспечивал Югославские ПВО информацией о полётах американцев. С его помощью был сбит не один чудо-самолёт-невидимка звёздно-полосатых. А по телевизору как обычно – врали, что американцы потерь не несут.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Влияние типа используемой антенны на качество и направленность приема (излучения) радиоволн

 

Куда и как будет распространяться радиоволна, определяется размерами и формой антенны-излучателя радиоволн. Самой простой радиоантенной является Вибратор Герца. Это элементарный «кубик», который является основой для построения всех типов антенн.

Вибратор Герца – это два проводника, расходящиеся в противоположные стороны от «точки подключения энергии». По своей сути это «развернутый» колебательный контур. Для лучшего излучения радиосигнала, расстояние от конца одного проводника до конца другого должно быть равно половине длины волны излучаемого (или принимаемого) электромагнитного колебания. Это необходимо для того, чтобы на концах вибратора была максимальная разность потенциалов напряжения сигнала, а в центре вибратора – максимальная амплитуда тока. Правда необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая намного меньше чем в вакууме. В зависимости от частоты сигнала и металла, из которого изготовлен вибратор коэффициент укорочения может быть в пределах от 0,65 до 0,85. То есть вибратор должен быть равен половине длины волны, помноженной на коэффициент укорочения.

Для уменьшения габаритов антенны иногда используется вибратор, по длине равный одной четвёртой длины волны. Могут использоваться и другие соотношения, но при этом, качество приёма (передачи) и направленные свойства антенны изменяются.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет форму тороида вращения – форму «бублика». Если вибратор расположить горизонтально относительно земли, то зоны максимального приема (передачи) будут на линии перпендикулярной вибратору, а зоны минимального приема по торцовым сторонам вибратора. Но учтите, это без учёта влияния переотражения от земли. Если учитывать влияние переотражения от земной поверхности, проекция диаграммы направленности антенны (ДНА) вибратора окажется слегка вытянутой в направлениях максимумов.
На рисунке изображены тороид вращения и проекция диаграммы направленности антенны на горизонтальную поверхность с учётом влияния земли.

    Вертикальная штыревая антенна – это видоизменённый вибратор Герца, у которого в качестве одного проводника используется сам штырь, а в качестве другого противовес – кусок свисающего вниз провода, человек, у которого в руках мобильная рация, или поверхность земли. Диаграмма направленности штыревой антенны, это тот же торроид, находящийся в горизонтальной площади, только за счёт отражения от земли торроид приплюснут снизу. Зона максимального приёма будет во все стороны, а минимального – над штыревым вибратором. Зону минимального приема, находящуюся над антенной называют – мёртвая зона, или мёртвая воронка.

В зависимости от соотношения длины штыревой антенны к длине волны, диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости так же изменяется. На рисунке схематично изображено, влияние отношения длины штыря к длине волны на формирование диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

Если антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны. Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

 

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

Именно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

Следующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора. Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал», состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка, в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения, или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

 

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

 

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель». Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

meanders.ru

Теория радиоволн: ликбез / Habr

Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.

Радиоволна

Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду

Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте:

Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)

«УКВ», «ДВ», «СВ»

Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.

Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м).

Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.

Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м).

Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.

Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).

Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.

Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).

Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:

Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.

Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.

Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.

AM — FM

Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:

AM — амплитудная модуляция


Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.

FM — частотная модуляция

Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.

На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.

Еще термины

Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала.

Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».

Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.

PS:

Надеюсь, информация описанная мной будет полезна и принесет некоторое понимание по данной теме.

habr.com

Диапазон частот Википедия

Анимированная схема излучения радиоволн

Радиово́лны — электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода[1][2]. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учётом классификации Международным союзом электросвязи[3][4] радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 млн. километров до 0,1 миллиметра.

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре (например, в волноводных устройствах, в интегральных схемах СВЧ и др.), в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приёмную антенны[5].

Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и подвижной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в других бесчисленных приложениях.

В зависимости от значения частоты (длины волны) радиоволны относят к тому или иному диапазону радиочастот (диапазону длин волн). Можно также вести классификацию радиоволн по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара[6].

ru-wiki.ru

Длинные волны — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 февраля 2015; проверки требуют 69 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 февраля 2015; проверки требуют 69 правок.

Длинные волны (также километровые волны, англ. Longwave (LW), Low frequency («Низкие частоты», LF), фр. ondes longues, Basse fréquence («Низкие частоты»), grandes ondes («большие волны», GO)) — диапазон радиоволн с частотой от 30 кГц (длина волны 10 км) до 300 кГц (длина волны 1 км).

Длинные волны распространяются на расстояния до 1—2 тысяч км за счёт дифракции на сферической поверхности Земли. Затем их распространение происходит за счёт направляющего действия сферического волновода, не отражаясь.

Диапазон используется для радиовещания (148,5—283,5 кГц; ранее вещательный ДВ-диапазон был 148,5—408 кГц), для радиотелеграфной связи, радионавигационных служб и для связи с подводными лодками (9—148,5 кГц).

Участок 135,7—137,8 кГц используется для любительской радиосвязи. В этом диапазоне используется сверхузкополосная (полоса до единиц Гц) телеграфная связь с медленной амплитудной манипуляцией (длина точек и тире может составлять, в зависимости от ширины полосы, десятки секунд и даже минуты). В месте приёма это эквивалентно многократному увеличению мощности передатчика и позволяет при помощи маломощного передатчика установить сеанс связи со всем Земным шаром. Скорость передачи информации при этом очень мала (в лучшем случае единицы бит в минуту), потому в эфир передаются только позывные, а приём ведётся с записью для последующей расшифровки (слуховой приём невозможен).

Кроме того, длинные волны могут использоваться в дальней радионавигации.

Длинные волны способны обогнуть Земной шар.

ДВ в России и на постсоветском пространстве[править | править код]

С апреля 2014 года данный диапазон для государственного и коммерческого радиовещания в Российской Федерации не используется (до этого времени длинноволновые радиостанции вещали в 26 российских регионах: Амурской, Архангельской, Иркутской, Калининградской, Магаданской, Московской, Мурманской, Новосибирской, Оренбургской, Самарской, Сахалинской, Свердловской, Читинской областях; республиках Алтай, Башкортостан, Бурятия, Коми, Татарстан, Якутия; а также в Камчатском, Краснодарском, Красноярском, Приморском, Хабаровском краях; Санкт-Петербурге, Ханты-Мансийском АО). С 15 мая 2000 года было прекращено вещание из-за ликвидации старейшей радиостанции страны Радио-1 (171 кГц). В мае 2010 года прекратило вещание Радио Юность, вещавшее на частоте 153 кГц. 14 марта 2013 года свёрнуто вещание «Маяка» (198 кГц). В 2014 году, в связи с экономической нецелесообразностью, диапазон покинули радиостанция «Чечня свободная», с 2008 года переименованная в «Радио Кавказ», созданна

ru.wikipedia.org

Радиоволны

Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары, радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчало нам жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Создание электромагнитных волн опытным путём принадлежит физику Герцу. Для этого Герц использовал высокочастотный искровой разрядник (Вибратор). Произвёл этот опыт Герц в 1888 г. Состоял вибратор из двух стержней, разделённых искровым промежутком. Экспериментировал Герц с волнами частотой 100000000 Гц. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ=λν.Она оказалась приближенно равна скорости света: с=300000 км/с.

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ – частота электромагнитного излучения в МГц.

Самый простой случай — это распространение радиоволны в свободном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т. е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.

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.

Диапазон

С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн принято делить на ряд меньших диапазонов: сверхдлинные волны, длинные волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые волны, миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл. 1). Деление радиочастот на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи (табл. 2). Все это официальные, четко отграниченные участки спектра.
В то же время термин «диапазон» в зависимости от контекста может применяться для обозначения какого-то произвольного участка радиоволн/радиочастот (например — «любительский диапазон», «диапазон подвижной связи», «диапазон low band», «диапазон 2,4 ГГц» и т.п.)

Табл. 1. — Деление всего диапазона радиоволн на меньшие диапазоны.

Табл. 2.1. — Диапазон радиочастот

Табл. 2.2 . — Диапазон радиоволн

Динамический диапазон
Динамический диапазон радиоприемного устройства — это отношение максимально допустимого уровня принимаемого сигнала (нормируется уровнем нелинейных искажений) к минимально возможному уровню принимаемого сигнала (определяется чувствительностью устройства) выраженное в децибелах. Другими словами — это разность между максимальным и минимальным значениями уровней сигналов, при которых еще не наблюдается искажений. Причиной этих искажений является нелинейность усилительного тракта рассматриваемого устройства. Чем шире ДД, тем более сильные сигналы способно принимать устройство без искажений. Динамический диапазон шире у дорогих приемников, хотя сравнивать их по этому параметру практически невозможно, т.к. он очень редко указывается в характеристиках.

Распределение спектра

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимаю

mirznanii.com

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


Стр 1 из 12Следующая ⇒

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*108) / 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.

№ диап Назв. волны Дл. волны Частота Назв. частоты
Мириаметр. СДВ 100км…10км 3кГц…30кГц ОНЧ(оч.низ.част.)
Километр. ДВ 10км…1км 30кГц…300кГц НЧ
Гектометр. СВ 1км…100м 300кГц…3МГц СЧ(сред.)
Декаметр.КВ 100м…10м 3МГц…30МГц ВЧ(высок.)
Метр. УКВ 10м…1м 30МГц…300МГц ОВЧ(оч.выс.)
Дециметр. УКВ 1 м…10см 300МГц…3ГГц УВЧ(ультравыс.)
Сантиметр. УКВ 10см…1см 3ГГц…30ГГц СВЧ(сверхвыс.)
Миллиметр. УКВ 1см…1мм 30ГГц…300ГГц КВЧ(крайневыс.)
Децимиллиметр. УКВ 1мм…0,1мм 300ГГц…3ТГц  

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.

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 Р1 около микрофона. На 2 граф. показыв. соответствующее изменение тока I1 в микрофоне. На 3 граф. показано измен. радиочастоты I2, 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 I3 (граф. 4), подобный передаваемым колебаниям. Поскольку в место приема попадает очень малая часть излученной передатчиком энергии, ток I3 в сотни млн. раз слабее токов I2 и непосредственно использ. не может. Он должен быть усилен и подвергнут преобразованию. На граф. 5 показана сила тока I4. Этот ток пропускается ч/з телефон или громкоговоритель, в результ. чего он вызывает давление воздуха Р2. 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*108) / 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.

№ диап Назв. волны Дл. волны Частота Назв. частоты
Мириаметр. СДВ 100км…10км 3кГц…30кГц ОНЧ(оч.низ.част.)
Километр. ДВ 10км…1км 30кГц…300кГц НЧ
Гектометр. СВ 1км…100м 300кГц…3МГц СЧ(сред.)
Декаметр.КВ 100м…10м 3МГц…30МГц ВЧ(высок.)
Метр. УКВ 10м…1м 30МГц…300МГц ОВЧ(оч.выс.)
Дециметр. УКВ 1 м…10см 300МГц…3ГГц УВЧ(ультравыс.)
Сантиметр. УКВ 10см…1см 3ГГц…30ГГц СВЧ(сверхвыс.)
Миллиметр. УКВ 1см…1мм 30ГГц…300ГГц КВЧ(крайневыс.)
Децимиллиметр. УКВ 1мм…0,1мм 300ГГц…3ТГц  

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.


Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ)

Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ)

Прошло уже более века с момента, когда в 1886 г. немецкий ученый Г.Герц построил первые в мире передатчик и приемник электромагнитных волн. Они были весьма примитивны, однако сослужили очень важную роль для науки.

Электромагнитной волной называется процесс распространения переменного электромагнитного поля в свободном пространстве с конечной скоростью (скоростью света). Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н — вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга.

В соответствии с длинами волн (l ) весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей – от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн. Однако такое деление отражает зависимость не только от l , но и от способов генерации и обнаружения соответствующего электромагнитного излучения. Например, нет никакого принципиального различия между микроволновым и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, его называют микроволновым, а если оно испускается инфракрасным источником – инфракрасным.

Международная классификация электромагнитных волн:

Мириаметровыми (или сверхдлинными) волнами (СДВ) называются электромагнитные волны очень низкой частоты (3 – 30 кГц), длины которых в вакууме лежат в интервале 100 – 10 км. Мощным естественным источником радиоволн этого диапазона являются молниевые разряды.

Для СДВ длина волны сравнима с расстоянием от поверхности Земли до ионосферы, поэтому они могут распространяться по сферическому волноводу Земля — ионосфера на очень большие расстояния с незначительным ослаблением (атмосферный волновод). Характерной особенностью СДВ при их распространении вокруг Земли является слабое затухание поля с удалением от излучателя и высокая его фазовая и амплитудная стабильность (по сравнению с радиоволнами более высоких частот) при регулярных и случайных вариациях свойств трассы распространения (суточные и сезонные изменения атмосферы, сезонные изменения свойств земной поверхности, ионосферные возмущения и т.д.). Это и обуславливает применение СДВ в глобальных радиосистемах высокой точности и надежности, несмотря на необходимость использования излучающих антенных систем больших размеров и более низкую скорость передачи информации. Кроме того радиоволны этого диапазона обладают большой глубиной проникновения в проводящие среды, что делает возможным их применение для связи с погруженными в морскую воду и в толщу земли объектами.

Особенности распространения сверхдлинных волн.

В диапазонах радиоволн с частотой менее 30 кГц для всех видов земной поверхности токи проводимости существенно преобладают над токами смещения, благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Длинные волны хорошо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли.

Оба эти фактора обусловливают возможность распространения сверхдлинных волн на расстояние порядка 3000 км. При этом для расстояния 500—600 км напряженность лектрического поля можно определять формулой Шулейкина-Ван-дер-Поля :

Em = |W|

а для больших расстояний расчет ведут по законам дифракции.

Начиная с расстояния 300—400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы.

С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000 км напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля (рис 1.1).

Рис. 1.1. Характер изменения напряженности электрического поля СДВ с расстоянием (Р =1 кВт)

На расстоянии свыше 2000—3000 км земная и ионосферная волны не проявляются по отдельности. Распространение происходит подобно распространению в волноводе, стенками которого служат поверхность Земли и нижняя граница ионосферы.

Диэлектрическая проницаемость ионосферы в этих диапазонах волн определяется выражением:

e = 1 — (w0/w)2 , w0 = – плазменная частота.

и условие отражения записывается в виде :

sin(q0) =

где w меньше или равна величины n.

При этом высота отражения зависит от закона изменения с высотой как Ne, так и n. Установлено, что концентрация электронов Ne распределена по высоте неравномерно : имеются области или слои, где она достигает максимума. Расчеты и эксперименты показывают, что днем отражение волн может происходить на нижней границе слоя Е (область на высоте 150 км), а ночью — на нижней границе слоя D (область на высоте 90 км). Электропроводность в этой области ионосферы для сверхдлинных волн довольно значительная (но в тысячи раз меньше, чем электропроводность сухой земной поверхности), и токи проводимости оказываются по величине того же порядка, что и токи смещения. Следовательно, нижняя область ионосферы для сверхдлинных волн обладает свойствами полупроводника.

На сверхдлинных волнах электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит, как на границе раздела воздух—полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение сверхдлинных волн в ионосфере.

Расстояние от поверхности Земли до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км. Это расстояние имеет тот же порядок, что и длина СДВ, так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой—ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис 1.2).

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны—волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критические волны—волны с предельной длиной волны, которые еще могут распространяться. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25—35 км, а критической—волна длиной около 100 км.

В сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости с

mirznanii.com