Некоторые понятия радиотехники

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОНАВИГАЦИИ

Некоторые понятия радиотехники

Электромагнитные волны. Без радио трудно представить себе не только современную навигацию, но и вообще нашу жизнь. Кто именно изобрел радио (Александр Попов, Гульельмо Маркони или Оливер Лодж) и что, собственно, считать моментом его изобретения – слишком запутанный вопрос, чтобы рассматривать его в данном учебном пособии. Одно несомненно: радио не могло быть изобретено до открытия электромагнитных волн, потому что радиоволны – это частный случай электромагнитного излучения.

Электромагнитные волны – это распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей. Электромагнитные волны были открыты Генрихом Герцем (1857-1894), рис. 2.1. Правда, сам он считал их исследование бесполезной затеей…

Рис. 2.1. Генрих Рудольф Герц (1857-1894)

В каждой точке пространства электромагнитная волна характеризуется тремя взаимно перпендикулярными векторами: волновым вектором и векторами напряженности электрического и магнитного полей. Волновой вектор направлен по направлению распространения волны, а его модуль обратно пропорционален длине волны. Модули векторов напряженностей магнитного и электрического полей изменяются по синусоидальному закону и сдвинуты по фазе на 90º.

Скорость распространения электромагнитного излучения называют скоростью света. В вакууме она составляет c=300 000 км/с (более точно – 299 792 458 м/с), но в любой другой среде (в том числе в атмосфере) она меньше и зависит от характеристик среды.

Основными характеристиками электромагнитной волны являются ее период, длина, частота и фаза.

Период T - это длительность одного цикла колебаний. Измеряется в секундах.

Частота f - количество полных циклов колебаний в секунду в данной точке пространства. Измеряется в герцах, Гц (Hz).

На практике чаще используются килогерцы (кГц) и мегагерцы (МГц), иногда гигагерцы (ГГц).

1 кГц=1000 Гц; 1 МГц=1000 кГц=1 000 000 Гц; 1 ГГц=1000 МГц.

Фаза колебаний – величина, которая показывает, какая часть колебания прошла с начала процесса. Измеряется в угловых величинах – градусах или радианах. При этом весь цикл колебания принимается за 360º (2π). Величина фазы зависит, конечно, от того момента, который выбран в качестве начала колебаний. Но разность фаз двух сигналов от этого не зависит (рис. 2.2).

а)

б)

в)

Рис. 2.2. Сдвиг сигналов по фазе

а) фазы совпадают; б) сдвиг по фазе 90 ; в) сдвиг по фазе 180 .

Длина волны λ – расстояние между двумя точками в пространстве, в которых колебание имеет одинаковую фазу.

Частота, длина волны и скорость света связаны друг с другом простыми соотношениями:

Например, если длина волны составляет λ=6 м, то ей соответствует частота

Все возможные частоты и, соответственно, длины электромагнитных волн разделены на диапазоны. Часть общего спектра электромагнитных волн занимают радиоволны, которые также делятся на диапазоны, указанные в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Диапазоны частот и длин радиоволн

Еще более короткими электромагнитными волнами по сравнению с приведенными в таблице обладает оптическое излучение (инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое) и ионизирующее электромагнитное излучение (рентгеновское излучение и гамма-излучение).

Вообще электромагнитное излучение имеет сложную структуру и обладает как волновыми, так и квантовыми свойствами. Рассмотрим лишь некоторые из его свойств, которые могут понадобиться в дальнейшем.

Рефракция (refraction). Рефракция (преломление) заключается в искривлении траектории радиоволн при прохождении через среду (например, атмосферу), плотность которой изменяется.

Дифракция (diffraction). Первоначально под термином дифракция понималась способность радиоволн огибать препятствия. В настоящее время это явление понимается шире – как любое отступление от законов геометрической оптики, в соответствии с которыми электромагнитные волны (свет, радиоволны и т.п.) в однородной среде распространяются строго по прямой. Дифракция представляет собой сложное явление, которое упрощенно можно понимать как способность волн «расходиться», «расплываться» в пространстве по мере распространения и проникать в те области, которые находятся в тени какого-либо объекта.

Отражение (reflection.) Это возвращение радиоволн при встрече с границей раздела двух сред с различными электрическими свойствами «обратно» в первую среду. Радиоволны могут отражаться от земной поверхности, от фюзеляжа ВС и т.п.

Радиоволны разных частот обладают различным характером распространения.

Прямолинейно распространяющиеся волны (Space Waves) – это радиоволны, распространяющиеся в однородной среде по прямой линии. К ним относятся радиоволны ультракоротковолнового (УКВ) диапазона, в котором работает большинство радионавигационных средств. Поскольку радиоволны распространяются по прямой, а Земля круглая, то казалось бы по законам геометрической оптики такие радиоволны не могут огибать земную поверхность и заходить за горизонт.

Однако на самом деле атмосфера не является однородной средой. Чем ближе к поверхности земли, тем больше ее плотность. Вследствие этого радиоволны подвержены рефракции (преломлению). Траектория радиоволны искривляется и может отклоняться от прямой линии на десятки угловых минут. Вследствие этого «прямолинейно распространяющиеся» волны могут несколько заходить за горизонт (рис. 2.3).

Поверхностные волны (Surface Waves). Это радиоволны, способные огибать земную поверхность. К ним относятся радиоволны длинноволнового (ДВ) и средневолнового (СВ) диапазонов. Такое поведение волн объясняется их дифракцией. Фронт распространяющейся волны как бы наклоняется в сторону поверхности земли, поскольку в той его части, которая ближе к земле затухание (attenuation) радиоволн больше. Это затухание (ослабление) вызвано тем, что волна индуцирует в самой поверхности земли напряжение, которое «препятствует» ее распространению, как бы тормозит ее. Фронт волны наклоняется в ту же сторону, в которую «уходит» поверхность закругляющейся Земли, поэтому радиоволна распространяется за горизонт. Насколько далеко – зависит от мощности излучаемого сигнала и электропроводимости подстилающей поверхности. Поскольку вода является лучшим проводником, чем суша, дальность распространения поверхностной волны над морем больше.

Рис. 2.3. Виды радиоволн

Пространственные волны (Sky Waves). Они основаны на отражении радиоволн от ионосферы. Ионосфера – это верхние электризованные слои атмосферы. Радиоволны КВ, СВ и ДВ диапазонов способны отражаться от ионосферы и возвращаться к земле. Но отражение произойдет только в случае, когда волна пересекает ионосферу под достаточно острым углом. Если же радиоволны распространяются по направлению, близкому к нормали (направлению «вверх»), то волны не отразятся и проникнут за пределы ионосферы.

Поскольку угол отражения от ионосферы равен углу падения, а этот угол невелик, то получается, что отраженные радиоволны достигнут поверхности земли на достаточно большом удалении от радиостанции. Таким образом, на небольших удалениях от радиостанции принимаются поверхностные волны, на больших удалениях – пространственные (рис.2.4). А на промежуточных удалениях образуется мертвая зона (dead space), в которой волны либо не принимаются вообще, либо пространственная волна складывается с поверхностной волной. В этом случае из-за интерференции эти волны «мешают» друг другу, происходят быстрые изменения интенсивности результирующего поля, называемые замираниями.

Рис. 2.4. Характер распространения радиоволн

Частным случаем пространственных волн можно считать радиоизлучения волноводного типа. Для излучений очень низкой частоты (ОНЧ), когда длина волны более десяти километров, земная поверхность по своим свойствам становится похожей на проводник и способна отражать радиоволны. Вследствие этого радиоволны, отраженные от ионосферы, падают на земную поверхность, отражаются также и от нее, снова отражаются от ионосферы и т.д. Радиоволна как бы следует вдоль канала (волновода), образованного ионосферой и землей. Такие волны могут распространяться на удаление до 8-10 тысяч километров.

Диаграмма направленности антенны. Радиоволны излучаются и принимаются через антенну (antenna или aerial). В зависимости от конструкции и конфигурации антенны мощность излучения или чувствительность приема может быть различной по разным направлениям. Это свойство антенны характеризуют ее диаграммой направленности (Antennae polar diagrams).

Понятно, что чем дальше приемник находится от источника излучения (антенны), тем меньше мощность принимаемого сигнала, поскольку он ослабевает в пространстве. Можно задаться каким-либо фиксированным уровнем мощности (например, равным половине от излучаемой мощности) и рассмотреть все точки в пространстве, в которых мощность будет иметь именно такое значение. Эти все точки в пространстве образуют поверхность, которую и называют диаграммой направленности (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Пример диаграммы направленности в пространстве

Обычно рассматривают диаграмму направленности отдельно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Если антенна ненаправленная, то есть во все стороны излучает одинаково, то в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь вид окружности с центром в точке расположения антенны. Радиус-вектор для всех точек этой окружности будет одинаков. Это значит, что мощность принимаемого сигнала одинакова по всем направлениям и зависит только от удаления.

Но антенна может быть сконструирована таким образом, что мощность излучения в разные стороны различна и тогда диаграмма направленности будет наглядно показывать, в каком направлении мощность больше, а в каком меньше. Диаграмма направленности может иметь вид кардиоиды, одного или нескольких лепестков (lobes), или какую-то более сложную форму, рис. 2.6.

Рис. 2.6. Примеры диаграмм направленности в горизонтальной плоскости

Модуляция. Если передатчик просто передает синусоидальные колебания на какой-то частоте, то прием такого сигнала не несет никакой полезной информации. Для того, чтобы передать полезную информацию несущие колебания модулируются полезным сигналом. Модуляция (от латинского modulatio — размеренность, ритмичность) - это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Таким образом полезное информационное колебание как бы накладывается на заведомо известную несущую частоту.

В радиотехнике используются различные виды модуляции. Самым примитивным и древним является телеграфная модуляция (keying) , когда несущий сигнал просто прерывается с помощью телеграфного ключа. Излучение происходит не непрерывно, а «кусочками» - короткими, называемыми «точками» (dot) или длинными «тире» (dash). Каждому сочетанию точек и тире соответствует определенная буква или цифра, например, в соответствии с азбукой Морзе, которая была предложена американским изобретателем Сэмюэлом Морзе (1791-1872) еще до изобретения радио (рис. 2.7).

Амплитудная модуляция (amplitude modulation, AM) основана на том, что амплитуда несущего сигнала изменяется в соответствии с амплитудой полезного сигнала (рис. 2.8).

Частотная модуляция (frequency modulation, FM) основана на изменении частоты несущей в соответствии с амплитудой полезного модулирующего сигнала (см. рис. 2.9).

Рис. 2.7. Сэмюэл Морзе

Рис. 2.8. Амплитудная модуляция

Рис. 2.9. Частотная модуляция

Импульсная кодовая модуляция (pulse code modulation, PCM) используется в цифровых технологиях и основана на двоичном кодировании. Наличие импульса соответствует «1», а его отсутствие (пропуск) – «0». С помощью последовательности нулей и единиц, передаваемых таким способом, можно закодировать любую информацию.