Радиоволны и их свойства

Радиоволны представляют собой процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве, создаваемых токами высокой частоты диапазона 3∙10³ - 3∙10¹² Гц. Высокочастотные колебания электрического тока образуются с помощью колебательных систем. Простейший колебательный контур, генерирующий электромагнитные колебания, состоит из катушки индуктивности и конденсатора, параметры которых определяют частоту колебаний. Если электромагнитные колебания возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле – сосредоточенным в пространстве между пластинами конденсатора (рис. 5а). Такой контур называется закрытым или замкнутым. Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство.

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн, и если разнести обкладки конденсатора, получим открытый колебательный контур, способный излучать энергию в пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем больше угол разворота этих пластин, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 5б).

Рис. 5- Преобразование колебательного контура в антенну

Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 5в). Силовые линии поля замыкаются на обкладках конденсатора.

Открытый колебательный контур принято называть вибратором. Резонансная частота (F) такой антенны определяется емкостью и индуктивностью металлического проводника или элементов подстройки:

Катушка антенны имеет индуктивную связь с катушкой колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Вокруг любого проводника, по которому протекает электрический ток, создается магнитное поле. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле. Электромагнитную волну условно можно представить в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одно синусоида изображает изменение электрической составляющей волны (Е), а другая – магнитной (Н) (рис. 4). Взаимное расположение плоскостей распространения электрической и магнитной составляющей радиоволны обозначают понятием поляризация.

Радиоволны, как и другие волновые процессы, обладают рядом параметров (амплитуда, частота и т.д.). Радиоволны могут распространяться как в упругой среде (воздух, вода, металл и т.д.), так и в вакууме, но в основном рассматривается распространение радиоволн в атмосфере Земли или космическое пространство.. Скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве приблизительно равна скорости света – 300000 км/с.

Длина волны соответствует определенной частоте электромагнитных колебаний, а их взаимосвязь можно выразить следующим образом:

l = V / f ; т.к. V » c, a с = 3 ∙ 10 ⁸ (м/с) Þ l =3 ∙ 10⁸ / f (м)

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу. Ионосферой называется область атмосферы, начинающаяся от высоты 60-90 км и простирающаяся примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10³-10⁶ электронов в 1см³ пространства). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на очень большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеивания в ней, принято называть ионосферными (пространственными) волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве.

Тропосферой называется приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты примерно 10-15 км. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. Распространение тропосферных волн связано с атмосферной рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, т.е. в нижних слоях атмосферы, принято называть земными (поверхностными). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн. Сферичность земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Условия распространения радиоволн вдоль земной поверхности в значительной степени зависят от проводимости почвы (поверхности) и от длины волны. Радиоволны, распространяясь вдоль земной поверхности, частично ею поглощаются и тем сильнее, чем меньше длина волны.

В однородной среде волны распространяются, как было сказано выше, прямолинейно и равномерно, причем с увеличением расстояния от излучателя (антенны) плотность потока энергии в точке приема уменьшается прямо пропорционально расстоянию от излучателя. Это связано с тем, что вся мощность, излучаемая антенной, распространяется во все стороны равномерно и в каждую точку пространства доходит лишь часть электромагнитной энергии.

Часть энергии радиоволн теряется при образовании вихревых токов в различных токопроводящих предметах, пересекаемых радиоволнами. Энергия токов вихревого характера частично превращается в тепло. Явление превращения энергии радиоволн в другие виды энергии, например, тепловую, условно называют поглощениемрадиоволн.

Радиоволны способны огибать различные препятствия, встречающиеся на пути распространения. Это явление получило название дифракции. Дифракция значительно зависит от длины волны. Радиоволны с большой длиной волны способны огибать большее по геометрическим размерам препятствие.

Среда распространения радиосигнала (например, городская застройка) содержит множество препятствий на прямой, соединяющей антенну базовой станции с антенной абонента. Соответственно существует только относительно короткий участок распространения по прямой видимости и множество трасс прохождения радиосигнала с переотражением. Во многих случаях существует более одного пути распространения радиоволн, и эта ситуация называется многолучевым распространением. Сигнал в точке приема при многолучевом распространении представляет сумму компонентов переданного сигнала, пришедших в точку приема по различным путям с переотражениями. Это вызывает изменение уровня сигнала в точке приема, случайные колебания фазы принимаемого сигнала (фазовый шум) и временное рассеяние передаваемых символов сигнала. Радиоволны, отраженные от различных препятствий, проходят одна через другую, не влияя друг на друга, но в различных точках пространства возникает явление интерференции. Сущность этого явления заключается в том, что две (или более) волны с одинаковым периодом и фазой могут накладываться друг на друга, создавая при этом точки пространства, в которых наблюдается увеличение амплитуды результирующего сигнала. При противоположных фазах и одинаковом периоде сигналов будет наблюдаться уменьшение амплитуды результирующего сигнала (замирания сигнала), и, следовательно, ухудшение качества или даже пропадание связи в зависимости от разницы амплитуд взаимодействующих сигналов.

Радиоволны в соответствии с международной классификацией делятся на диапазоны (табл. 1).

Ионосфера является отражающим слоем для длинных, средних и частично коротких волн. Обладая хорошей дифракционной способностью, радиоволны этих диапазонов (особенно СДВ и ДВ), могут преодолевать значительные расстояния. Данные диапазоны используются для международного радиовещания, навигации.

Таблица 1. Диапазоны радиоволн

Ультракороткие метровые волны проходят ионосферу почти беспрепятственно, поэтому считается, что УКВ радиосвязь осуществляется поверхностной волной в пределах прямой видимости, т.к. эти волны почти не обладают свойством дифракции. По этой же причине за некоторыми отдельно стоящими препятствиями образуются радиотеневые зоны. Портативные станции работают достаточно успешно на открытой местности, но в условиях плотной городской застройки качество связи существенно снижается.

Диапазон дециметровых волн считается «городским» и проявляет свои лучшие качества в условиях плотной городской застройки. Выбор этого диапазона оптимален при необходимости получения устойчивой связи на небольших расстояниях.

Сантиметровые волны используются для организации космической связи в связи с хорошей проходимостью радиоволнами этого диапазона ионосферных слоев.

Вывод по второму вопросу. Закономерности распространения радиоволн необходимо учитывать при проектировании радиосетей и непосредственном использовании средств радиосвязи при решении оперативно-тактических задач.