Диапазоны радиоволн

Как правило, электрические сигналы, непосредственно отражающие сообщения, маломощны и низкочастотны, они не могут эффективно излучаться в свободное пространство. Передавать их непосредственно можно только по проводным или кабельным линиям (телефонная, телеграфная связь и т.д.).

Для передачи информации через свободное пространство используют специальные электрические сигналы (переносчики сообщений), которыми являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся в свободном пространстве мощные высокочастотные гармонические электромагнитные колебания (несущие колебания). Передаваемая по каналам связи информация закладывается в один или ряд параметров несущего колебания.

Длина волны электромагнитного колебания связана с ее циклической частотой и скоростью распространения света следующей формулой

λ = с/ƒ,

где с = 3·10⁸ м/с – скорость света; ƒ – частота, Гц.

В современной радиотехнике и теории связи используют электромагнитные колебания, расположенные в диапазоне частот (радиодиапазоне) от 10 до 10¹³ Гц, которые принято называть радиоволнами.

Общепринятая международная классификация диапазонов радиоволн и соответствующих им диапазонов радиочастот приведена в таблице 1.1

Таблица 1.1

Классификация диапазонов радиоволн (частот)

Для обеспечения устойчивой и надежной радиосвязи очень важна длина волны несущего колебания. На выбор диапазона радиоволн для конкретной системы передачи информации влияет ряд факторов, связанных с особенностью излучения и распространения электромагнитных волн, характером имеющихся в заданном диапазоне помех, параметрами сообщения, характеристиками и габаритными размерами передающих и приемных антенн.

Распространение радиоволн.Возбужденное каким либо источником переменного тока электромагнитное поле может существовать само по себе в отрыве от источника и после излучения в виде электромагнитных волн в свободное пространство, будет распространяться в нем по некоторому пути практически со скоростью света.

Простейшим излучателем электромагнитного поля может служить короткий отрезок электрического проводника, физическая длина которого L много меньше длины излучаемой волны λ. В этом случае модуль линейной плотности электрического тока I будет распределен по длине излучателя равномерно. Согласно законам электромагнитной индукции, в пространстве, окружающем этот диполь с протекающим в нем переменным током, будет возникать переменное магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле создаст, в свою очередь, в окружающем пространстве переменное электрическое поле. Совместно изменяющиеся электрическое и магнитное поля порождают в соседних точках пространства соответственно магнитные и электрические поля, поэтому эти взаимосвязанные явления представляют собой единое электромагнитное поле или электромагнитную волну. Процесс возбуждения в пространстве электромагнитной волны переменным током, протекающем в проводнике (диполе), называется электромагнитным излучением. Эти сложные физические явления теоретически обосновал Д. Максвелл в виде двух фундаментальных положений: всякое изменение во времени магнитного поля вызывает появление вихревого (т.е. замкнутого) электрического поля; всякое изменение во времени электрического поля приводит к появлению вихревого магнитного поля.

При своем распространении в свободном пространстве электромагнитные волны переносят энергию, восполняемую источником тока, питающего диполь. Соответствующая этой энергии мощность Р_И (энергия, переносимая полем за единицу времени) называется мощностью излучения. Предположим, что источник излучения является точечным. В этом случае мощность электромагнитной волны излучается равномерно во всех направлениях, создавая воображаемую поверхность сферы. Плотность потока мощности, или интенсивность излучения (мощность, проходящая через единицу площади поверхности сферы, Вт/м²), равна:

П = , (1.1)

где S_c – поверхность сферы, м²; r – радиус сферы, м.

Из курса физики известно, что плотность потока мощности электромагнитного поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е_И. В теории излучения и распространения электромагнитных колебаний доказано, что эта зависимость определяется формулой

(1.2)

Приравняв выражения (1.1) и (1.2), найдем напряженность электрического поля, создаваемого точечным источника излучения.

(1.3)

Пример 1.1. Определить необходимую мощность излучения точечного источника, если плотность потока мощности электромагнитного поля на расстоянии 1000 м от него должна составлять не менее 0,002 Вт/м².

Р е ш е н и е. Из соотношения (1.1) находим

Р_И = 4 · 3,14 · (1000)² · 0,002 = 25120 Вт = 25,12 кВт.

Пример 1.2. Рассчитать, на каком расстоянии от точечного излучателя мощностью 270 Вт будет создано электрическое поле напряженностью 0,01 В/м.

Р е ш е н и е. Воспользовавшись формулой (1.3), находим

Итак, напряженность электрического поля электромагнитной волны убывает пропорционально расстоянию от источника излучения ( для сравнения напряженность электростатического поля убывает пропорционально квадрату расстояния). Именно такая линейная зависимость напряженности и позволяет передавать информацию на очень большие расстояния с помощью электромагнитных колебаний при реально достижимой мощности излучения системы передачи информации.

C физической точки зрения земная поверхность представляет собой среду с различными электрическими параметрами (электропроводности, диэлектрической проницаемости и т.д.) по которой распространяется и поглощается энергия радиоволн. На дальность распространения радиоволн в свободном пространстве существенное влияние оказывает явление дифракции – огибания препятствий. Благодаря дифракции радиоволны могут распространяться далеко за пределами прямой видимости.

При распространении радиоволн вдоль земной поверхности возможно также их отражение от Земли. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, в радиотехнике называют земными или поверхностными волнами. Существенное влияние на распространение радиоволн различных диапазонов оказывает также земная атмосфера. Ее принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, простирающийся до высот 10...20 км. Тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам, которые определяются атмосферным давлением, температурой и влажностью и меняются при изменении метеоусловий, что существенно влияет на распространение радиоволн в тропосфере.

Выше тропосферы располагается стратосфера на высотах до 50 км. Плотность газов в ней значительно меньше, чем в тропосфере. С точки зрения электрических свойств, стратосфера является практически однородной средой, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно со скоростью света и без существенных потерь.

Над стратосферой (высота до 20000 км) располагается ионосфера, представляющая собой верхние, ионизированные слои атмосферы, которые образуются под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей Солнца. В результате ионизации молекул воздуха возникают положительные ионы газа и свободные электроны. Чем больше концентрация свободных электронов, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Она максимальна на высотах 300 ... 400 км и меняется от времени суток и года. Исследования распространения радиоволн в различных условиях выявили определенную закономерность между углом падения γ (для перпендикуляра γ = 0), концентрацией свободных электронов в ионосфере N_Э и частотой излучения радиоволн f. Угол падения, при котором радиоволна не проходит через ионосферу и распространяется вдоль нее, называется критическим. Критический угол падения радиоволны определяется выражением

(1.4)

Если углы падения меньше критического, то преломление лучей невелико, и радиоволны проникают через ионосферу в космос. При углах падения, больше критического, преломление настолько велико, что радиоволны полностью отразятся и вернутся на Землю.

Из (1.4) следует, что очень короткие волны вообще не преломляются в ионосфере и, пройдя через нее, излучаются в космическое пространство. Поэтому они применяются в системах космической и спутниковой радиосвязи. Также из формулы (1.4) можно определить наивысшую частоту излучения электромагнитной волны [МГц], при которой луч, направленный с Земли вертикально (γ_кр = 0), еще может вернуться на нее (отразиться от ионосферы).

(1.5)

Частота f_кр называется критической частотой излучения и при максимальной концентрации электронов в слоях ионосферы составляет 2...10 МГц. Частота колебаний электромагнитной волны, посланной с земной поверхности по касательной к горизонту в 3...5 раз выше критической частоты. Такая частота носит название максимально применимой частоты (МПЧ). Радиоволна, излучаемая с Земли с частотой выше МЧП, теоретически ни при каких условиях не отразится от слоев ионосферы и проникнет в космическое пространство. В радиоэлектронике радиоволны, распространяющиеся путем отражения (а также преломления) от ионосферы, называют пространственными волнами (лучами).

Декамегаметровые, мегаметровые, гектокилометровые и мириаметровые хорошо распространяются в морской воде и используются в системах подводной связи.

Километровые волны распространяются поверхностными и пространственными лучами и покрывают большие расстояния (тысячи км). Связь устойчива и слабо зависит от времени года и суток.

Гектометровые волны распространяются поверхностными и пространственными лучами, дальность распространения зависит от времени суток (поверхностные волны днем – сотни км, пространственные ночью – тысячи). В ночное время иногда наблюдается эффект замирания или фединг, обусловленный интерференцией разных волн (прием в фазе или противофазе).

Декаметровые волны распространяются как поверхностными, так и пространственными лучами, дальность поверхностными волнами – в пределах прямой видимости, пространственными – тысячи км. Кроме эффекта замирания, бывает зона молчания (поверхностные волны уже не достают, а пространственные приходят после отражения от ионосферы.

Метровые, дециметровые и сантиметровые волны распространяются только поверхностными волнами в пределах прямой видимости, дифракция ничтожно мала. Зона охвата ограничена кривизной поверхности Земли, поэтому антенны обычно ставят на мачты, например, телебашню.

Антенны.Любой отрезок проводника, по которому протекает переменный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Точно так же в любом отрезке проводника, находящемся в электромагнитном поле, индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Однако доля энергии электромагнитного поля, возникающая в проводнике, существенным образом зависит от его конфигурации, соотношения размеров проводника и длины волны электромагнитных колебаний. Для излучения и приема электромагнитных колебаний, переносящих информацию, используются специфические радиотехнические устройства, называемые антеннами. Теория и экспериментальные исследования показывают, что простейшую излучающую (передающую) антенну (рис. 1.1, а) можно сделать из отрезка электрического проводника размером в половину длины излучаемой волны (аналог колебательного контура), в середину которого включен генератор колебаний высокой частоты. Такую антенну называют полуволновым вибратором. Наглядное представление о характере излучения антенны дает диаграмма направленности (ДН), отражающая зависимость плотности потока мощности от направления в пространстве. Вдоль проводника излучения нет. Наибольшая интенсивность излучения в направлении, перпендикулярном проводнику. Для вертикально расположенного вибратора ДН в горизонтальной плоскости имеет вид окружности, а в вертикальной – круговых вытянутых восьмерок (рис 1.1, б).

Увеличить дальность распространения волн можно с помощью многовибраторных антенн (рис. 1.2). Если сзади параллельно излучающему вибратору 1 на расстоянии чуть меньше λ/4 расположить полуволновый вибратор 2 (рефлектор), он будет действовать как отражатель и сузит ДН со стороны вибратора. Если перед излучающим вибратором расположить несколько вспомогательных вибраторов 3 (директоров), то подбирая их длину и расстояние между ними, можно еще более сузить ДН и ослабить с задней стороны. Такая антенна называется «волновой канал» и широко используется в качестве приемной телевизионной антенны.

Важными параметрами антенны являются коэффициент направленного действия, показывающий, во сколько раз средняя мощность, излучаемая (принимаемая) в заданном направлении, больше средней мощности, излучаемой (принимаемой) по всем направлениям и коэффициент усиления антенны, равный произведению коэффициента направленного действия и коэффициента полезного действия.

В диапазонах километровых волн габариты даже одновибраторных антенн получаются очень большими и неприемлемыми. Поскольку Земля для этих диапазонов радиоволн является достаточно хорошим проводником, то в качестве антенн используют четвертьволновый заземленный вибратор ( рис. 1.3 а). Результирующее электромагнитное поле над поверхностью Земли будет практически таким же, как и излученное одним полуволновым вибратором, однако мощность такого излучения почти в два раза меньше.

Для создания остронаправленного излучения энергии электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн менее метра широко используют антенны с параболическим отражателем. Излучатель такой антенны расположен в фокусе параболического зеркала, чтобы концентрировать электромагнитное излучение в узком секторе пространства, подобно отражающему зеркалу оптического прожектора (рис.1.3, б).

В последние годы в системах связи широко применяют так называемые фазированные антенные решетки (ФАР). Подобные антенны представляют собой совокупность (решетку) определенным образом расположенных в одной плоскости (в площади квадрата или прямоугольника) элементарных излучателей, питаемых через индивидуальные фазовращатели одним источником высокочастотных колебаний (рис. 1.4). Электромагнитные поля, создаваемые каждым излучателем, суммируясь в пространстве, образуют единый электромагнитный фронт волны. Это поле обычно представляет узконаправленный луч энергии – требуемую ДН.

К важнейшему свойству ФАР относится возможность электронным способом изменять ДН. В последние годы ФАР применяют в мобильной и спутниковой связи в виде так называемых интеллектуальных антенн.

В принципе все антенны обладают свойством обратимости (взаимности), т.е. могут работать на передачу и прием. При этом остаются неизменными все характеристики антенн.