Проходження радіохвиль у морській воді. Радіохвилі та поширення радіохвиль
При визначенні дальності дії радіосистем доводиться враховувати поглинання та заломлення радіохвиль при їх поширенні в атмосфері, їх відображення від іоносфери, вплив підстилаючої поверхні вздовж траси, якою поширюється радіосигнал.
Ступінь впливу цих факторів залежить від частотного діапазону та умов експлуатації радіосистеми (час доби, географічний район, висота антени передавача та приймача).
Вплив поглинання та заломлення радіохвиль найбільш істотно в нижньому основному шарі атмосфери, що називається тропосферою. Тропосфера тягнеться за висотою до 8-10 км у полярних районах і до 16-18 км у тропічних широтах Земної кулі. У тропосфері зосереджена основна частина водяної пари, утворюються хмари та турбулентні потоки, що впливає на поширення радіохвиль, особливо міліметрового, сантиметрового та дециметрового діапазонів, що використовуються у радіолокації та ближній радіонавігації.
Відображення радіохвиль від іоносфери найбільше позначається на декаметрових і довших хвилях, що застосовуються в системах навігації та зв'язку.
Розглянемо коротко вплив перерахованих чинників.
Вплив загасання радіохвиль у тропосфері пов'язане з їх поглинанням молекулами кисню та водяної пари, гідрометеорами (дощ, туман, сніг) та твердими частинками. Поглинання та розсіювання веде до зниження щільності потоку потужності радіохвилі з відстанню за експоненційним законом, тобто потужність сигналу на вході послаблюється в раз. Значення множника ослаблення залежить від коефіцієнта загасання , і відстані, що проходить радіохвилями D. Якщо коефіцієнт , вздовж усієї траси постійний і розглядається випадок активної РЛС з пасивною відповіддю, то і потужність сигналу на вході приймача зменшується за рахунок загасання від до
Якщо висловити, в, то. За наявності в атмосфері гідрометеорів та інших частинок коефіцієнт загасання є сумою приватних коефіцієнтів загасання, викликаних поглинанням молекулами кисню і водяної пари, а також впливом рідких і твердих частинок. Молекулярне поглинання в атмосфері відбувається переважно на частотах, близьких до резонансних. Резонансні лінії всіх газів атмосфери, за винятком кисню та водяної пари, розташовані поза діапазоном радіохвиль, тому істотно впливає на дальність дії РТС лише поглинання молекулами кисню та водяної пари. Поглинання молекулами водяної пари максимально на хвилі, а молекулами кисню - на хвилях.
Таким чином, молекулярне поглинання значно у сантиметровому і особливо в міліметровому діапазонах, де воно обмежує дальність дії радіосистем, особливо радіолокаційних, що працюють за відбитими сигналами.
Іншою причиною, що викликає втрати енергії сигналу при поширенні, є розсіювання радіохвиль, насамперед дощовими краплями та туманом. Чим більше відношення радіусу краплі до довжини хвилі
до довжини хвилі тим більше втрати енергії за рахунок її розсіювання у всіх напрямках. Це розсіювання зростає пропорційно до четвертого ступеня частоти, оскільки ЕПР краплі при
де – діелектрична проникність води.
Якщо відомі діаметр крапель та його число на одиницю обсягу, можна визначити коефіцієнт згасання . У довідниках коефіцієнт для дощу зазвичай вказується залежно від його інтенсивності та довжини хвилі. У сантиметровому діапазоні коефіцієнт загасання змінюється приблизно пропорційно квадрату частоти сигналу. Якщо на частоті при мм/год, то на частоті при тій же інтенсивності дощу .
Ослаблення радіохвиль у тумані прямо пропорційне концентрації води в ньому. Ослаблення радіохвиль внаслідок граду та снігу значно менше, ніж унаслідок дощу чи туману, та їх впливом зазвичай нехтують.
Максимальна дальність дії РЛЗ з урахуванням згасання може бути знайдена за формулою
якщо відома дальність дії у вільному просторі. Це рівняння можна вирішувати графічно, представивши у логарифмічній формі. Після простих перетворень знайдемо
Позначимо відносне зменшення дальності та запишемо рівняння у вигляді, зручному для графічного розв'язання:
На рис 9.4 наведено залежність що дозволяє при заданих і знайти , отже, .
Вплив рефракції радіохвиль у атмосфері. Рефракцією (заломленням, викривленням) радіохвиль називають відхилення поширення радіохвиль від прямолінійного при проходженні ними середовища з електричними параметрами, що змінюються. Заломлюючі властивості середовища характеризуються коефіцієнтом заломлення, що визначається її діелектричною проникністю. Разом з коефіцієнт заломлення в атмосфері змінюється з висотою. Швидкість зміни з висотою характеризується градієнтом, значення та знак якого характеризують рефракцію.
При рефракції відсутня. Якщо рефракцію вважають негативною і траєкторія радіохвилі викривляється в бік від поверхні Землі. рефракція позитивна і траєкторія радіохвилі викривлена у бік Землі, що призводить до її обгинання радіохвильової та збільшення дальності дії радіосистем і, зокрема, дальності радіолокаційного виявлення кораблів і низьколітаючих.
Для нормального стану атмосфери, тобто рефракція є позитивною, що веде до збільшення дальності радіогоризонту. Вплив нормальної рефракції враховується збільшенням радіуса Землі, що здається, в рази, що рівносильно збільшенню дальності радіогоризонту до . Радіус кривизни траєкторії радіохвилі обернено пропорційний градієнту, тобто. При радіусі кривизни траєкторії радіохвилі дорівнює радіусу Землі, і радіохвиля, спрямована горизонтально, поширюється паралельно поверхні Землі, огинаючи її. Це випадок критичної рефракції, у якому можливе значне збільшення дальності дії РЛЗ.
За аномальних умов у тропосфері (різке збільшення тиску, вологості, температури) можлива і надрефракція, при якій радіус кривизни траєкторії радіохвилі стає меншим за радіус Землі. При цьому в тропосфері можливе хвилеводне поширення радіохвиль на великі відстані, якщо антена РЛС і об'єкт знаходяться на висотах в межах шару тропосфери, що утворює хвилеводний канал.
Вплив поверхні, що підстилає. Крім атмосферної рефракції, обгинання земної поверхні відбувається внаслідок дифракції радіохвиль. Однак у зоні тіні (за горизонтом) напруженість радіохвиль швидко падає через втрати в підстилаючій поверхні, які швидко ростуть із збільшенням частоти радіосигналу. Тому тільки на хвилях понад 1000 м поверхнева хвиля, тобто хвиля, що оминає поверхню Землі, може забезпечити більшу дальність дії системи (кілька сотень і навіть тисяч кілометрів). Тому в РНС далекої дії використовують хвилі довгохвильового та наддовгохвильового діапазонів.
Згасання поверхневої хвилі залежить від діелектричної проникності та електропровідності поверхні, що підстилає, причому для морської поверхні і для піщаних або гірських пустель; у своїй змінюється не більше 0,0001 - 5 Див/м. Із зменшенням провідності ґрунту згасання різко збільшується, тому найбільша дальність дії забезпечується при поширенні радіохвиль над морем, що є істотним для морської радіонавігації.
Вплив поверхні, що підстилає, позначається не тільки на дальності дії РНС, але і на їх точності, оскільки фазова швидкість поширення радіохвиль також залежить від параметрів поверхні, що підстилає. Створюються спеціальні карти поправок фазової швидкості залежно від параметрів поверхні, що підстилає, проте, оскільки ці параметри змінюються в залежності від пори року і доби і навіть погоди, повністю виключити похибки місцевизначення, викликані зміною фазової швидкості поширення радіохвиль, практично неможливо.
Радіохвилі з довжиною понад 10 м можуть поширюватися за горизонт також внаслідок одноразового або багаторазового відбиття від іоносфери.
Вплив відбиття радіохвиль іоносферою. Радіохвилі, що досягають приймальної антени після відображення іоносфери, називають просторовими.
Такі хвилі забезпечують дуже велику дальність дії, що використовується у зв'язкових системах короткохвильового (декаметрового) діапазону. На просторових хвилях здійснюється також наддальне радіолокаційне виявлення деяких цілей (ядерних вибухів і запуску ракет) за допомогою відображених метою сигналів, які на трасі поширення зазнають одного або декількох відбитків від іоносфери та поверхні Землі. Явище прийому таких сигналів (ефект Кабанова) було відкрито радянським вченим Н. І. Кабановим у 1947 р. РЛС, засновані на цьому ефекті, називають іоносферними чи загоризонтними. У таких станціях, що працюють на хвилях довжиною 10-15 м, як і в звичайних РЛС, дальність мети визначається за часом запізнення сигналу, а напрямок фіксується за допомогою спрямованої антени. Внаслідок нестійкості іоносфери точність таких станцій невелика, а розрахунок дальності дії представляє складне завдання через труднощі обліку втрат на розсіювання та поглинання радіохвиль на шляху розповсюдження, а також при їх відображенні від Землі та іоносфери. При цьому потрібно враховувати також втрати через зміну площини поляризації радіохвиль.
p align="justify"> Залежність висоти іоносфери від багатьох причин призводить до непередбачуваних змін затримки сигналу, що ускладнює використання просторових хвиль для радіонавігації. Понад те, інтерференція просторових і поверхневих хвиль веде до спотворення поверхневого сигналу і знижує точність местоопре-деления.
На закінчення розглянемо особливості поширення радіохвиль світіаметрового (наддовгохвильового) діапазону довжиною 10-30 км, що застосовуються в системах глобальної навігації наземного базування. Ці хвилі погано поглинаються поверхнею, що підстилає, і добре відбиваються від неї, а також від іоносфери як вночі, так і вдень. В результаті наддовгі хвилі поширюються навколо Землі, як у хвилеводі, обмеженому поверхнею Землі та іоносферою, на дуже великі відстані. При цьому зміна швидкості поширення та фазові зрушення можна прогнозувати, що забезпечує точність визначення місця, достатню для судноводіння у відкритому морі.
В даний час для глобальної навігації застосовують супутникові РНС, в яких завдяки великій висоті орбіт ШСЗ забезпечується пряма «видимість» на великих відстанях при використанні дециметрових хвиль, які вільно проходять через іоносферу. системи, яка для глобальних СРНС охоплює весь навколоземний простір.
Напишіть рівняння дальності РЛЗ у вільному просторі.
Яким чином дальність дії РЛС залежить від її довжини хвилі?
Як впливає відбиток радіохвиль від Землі на дальність дії РЛС?
У чому особливість виявлення низькорозташованих об'єктів?
Які основні причини послаблення сигналу радіолокації при поширенні?
Визначте дальність дії РЛС трисантиметрового діапазону, що працює в умовах дощу інтенсивністю мм/год(). Дальність дії РЛС у вільному просторі.
За яких умов рефракція радіохвиль призводить до аномального збільшення дальності дії РЛЗ?
У чому виражається вплив поверхні, що підстилає, на роботу РНС?
Що таке ефект Кабанова і як його застосовують на практиці?
Чому в глобальних РНЗ наземного базування використовуються радіохвилі СДВ-діапазону?
Закони поширення радіохвиль у вільному просторі порівняно прості, але найчастіше радіотехніка має справу з вільним простором, і з поширенням радіохвиль над земної поверхнею. Як свідчить і досвід і теорія, поверхня Землі сильно впливає поширення радіохвиль, причому позначаються як фізичні властивості поверхні приклад, розлиття між морем і сушею), і її геометрична форма (загальна кривизна поверхні наприклад, різницю між морем і сушею), і її геометрична форма (загальна кривизна поверхні земної кулі та окремі нерівності рельєфу - гори, ущелини тощо). Вплив це по-різному для хвиль різної довжини і хвиль різної довжини й у різних відстаней між передавачем і приймачем.
Вплив, що надається на поширення радіохвиль формою земної поверхні, зрозумілий з попереднього. Адже ми маємо тут, по суті, різноманітні прояви дифракції хвиль, що йдуть від випромінювача (§ 41), як на земній кулі в цілому, так і на окремих особливостях рельєфу. Ми знаємо, що дифракція сильно залежить від співвідношення між довжиною хвилі та розмірами тіла, що перебуває на шляху хвилі. Не дивно тому, що кривизна земної поверхні та її рельєф по-різному позначаються поширенні хвиль різної довжини.
Так, наприклад, гірський ланцюг відкидає «радіотінь» у разі коротких хвиль, тоді як досить довгі (у кілька кілометрів) хвилі добре огинають цю перешкоду і на гірському схилі, протилежному радіостанції, послаблюються незначно (рис. 147).
Рис. 147. Гора відкидає «радіотінь» у разі коротких хвиль. Довгі хвилі огинають гору
Що стосується земної кулі в цілому, то вона надзвичайно велика навіть у порівнянні з найбільш довгими хвилями, що застосовуються в радіо. Дуже короткі хвилі, наприклад метрові, взагалі не загортають скільки-небудь помітно за обрій, тобто за межі прямої видимості. Чим хвилі довші, тим краще вони обгинають поверхню земної кулі, але й найдовші хвилі не могли б завдяки дифракції загорнути так сильно, щоб обійти навколо земної кулі - від нас до антиподів. Якщо, тим не менш, радіозв'язок здійснюється між будь-якими точками земної кулі, причому на хвилях різної довжини, то це можливо не через дифракцію, а з зовсім іншої причини, про яку ми скажемо трохи далі.
Вплив фізичних властивостей земної поверхні поширення радіохвиль пов'язані з тим, що під впливом цих хвиль у грунті і морської воді виникають електричні струми високої частоти, найсильніші поблизу антени передавача. Частина енергії радіохвилі витрачається на підтримку цих струмів, що виділяють у ґрунті чи воді відповідну кількість джоулева тепла. Ці втрати енергії (отже, і ослаблення хвилі через втрати) залежать, з одного боку, від провідності грунту, з другого - від довжини хвилі. Короткі хвилі згасають значно сильніше, ніж довгі. При хорошій провідності (морська вода) високочастотні струми проникають на меншу глибину від поверхні, ніж при поганій (ґрунт), і втрати енергії в першому випадку суттєво менше. В результаті дальність дії одного й того ж передавача виявляється при поширенні хвиль над морем значно (у кілька разів) більшою, ніж при розповсюдженні над сушею.
Ми вже зазначили, що поширення радіохвиль на дуже великі відстані не можна пояснити дифракцією навколо земної кулі. Тим часом далекий радіозв'язок (на кілька тисяч кілометрів) було здійснено вже в перші роки після винаходу радіо. В даний час кожен радіоаматор знає, що довгохвильові (більше) і середньохвильові 
станції зимовими ночами чути на відстані багатьох тисяч кілометрів, тоді як вдень, особливо в літні місяці, ці ж станції чути на відстані всього кілька сотень кілометрів. У діапазоні коротких хвиль 
становище інше. Тут у будь-який час доби та будь-яку пору року можна знайти такі довжини хвиль, на яких надійно перекриваються будь-які відстані. Для забезпечення цілодобового зв'язку при цьому доводиться в різний час працювати на хвилях різної довжини. Залежність дальності поширення радіохвиль від пори року і доби змусила пов'язати умови поширення радіохвиль Землі з впливом Сонця. Цей зв'язок нині добре вивчений і пояснений.
Сонце випромінює поряд з видимим світлом сильне ультрафіолетове випромінювання і велику кількість швидких заряджених частинок, які потрапляючи в земну атмосферу, сильно іонізують її верхні області. В результаті утворюється кілька шарів іонізованих газів, розташованих на різних висотах. 
.
Наявність таких слідів дало підставу назвати верхні шари земної атмосфери іоносферою.
Присутність іонів та вільних електронів надає іоносфері властивості, що різко відрізняє її від решти атмосфери. Зберігаючи здатність пропускати видиме світло, інфрачервоне випромінювання та метрові радіохвилі, іоносфера сильно відбиває довші хвилі; для таких хвиль (більше) земна куля виявляється оточеним як би сферичним «дзеркалом», і поширення цих радіохвиль відбувається між двома відбиваючими сферичними поверхнями-поверхнею Землі та «поверхнею» іоносфери (рис. 148). Саме тому радіохвилі отримують можливість огинати земну кулю.
Рис. 148. Хвиля йде між Землею та іоносферою
Звичайно, не слід розуміти слова "поверхня сферичного дзеркала іоносфери" буквально. Жодної різкої межі у іонізованих шарів немає, правильна сферична форма теж не дотримується (принаймні, одночасно навколо всієї земної кулі); іонізація різна в різних шарах (у верхніх вона більше, ніж у нижніх), і самі шари складаються з безперервно рухомих і мінливих «хмар». Таке неоднорідне «дзеркало» не лише відображає, а й поглинає та розсіює радіохвилі, причому знову ж таки по-різному залежно від довжини хвилі. Крім того, властивості «дзеркала» змінюються з часом. Вдень при дії сонячного випромінювання іонізації значно більше, ніж уночі, коли відбувається лише возз'єднання позитивних іонів та негативних електронів у нейтральні молекули (рекомбінація). Особливо велика різниця в іонізації вдень і вночі у нижніх шарах іоносфери. Тут щільність повітря вища, зіткнення між іонами та електронами відбуваються частіше і рекомбінація протікає інтенсивніше. Протягом ночі іонізація нижніх шарів іоносфери може встигнути впасти до нуля. Іонізація різна і залежно від пори року, тобто від висоти підйому Сонця над горизонтом.
Вивчення добових та сезонних змін стану іоносфери дозволило не лише пояснити, а й передбачати умови проходження радіохвиль різної довжини у різний час доби та року (радіопрогнози).
Наявність іоносфери не тільки уможливлює короткохвильовий зв'язок на великі відстані, але й дозволяє радіохвилям іноді обігнути всю земну кулю, і навіть кілька разів. Через це виникає своєрідне явище при радіоприймі, так зване радіолуна, при якому сигнал сприймається приймачем кілька разів: після приходу сигналу по найкоротшому шляху від передавача можуть бути чути повторні сигнали, що обігнали земну кулю.
Часто трапляється, що хвиля доходить від передавача до приймача по кількох різних шляхах, зазнавши різного числа відбитків від іоносфери та земної поверхні (рис. 149). Очевидно, хвилі, що йдуть від того самого передавача, когерентні і можу інтерферувати в місці прийому, послаблюючи або посилюючи один одного залежно від різниці ходу. Так як іоносфера не є абсолютно стійким «дзеркалом», а змінюється з часом, то змінюється і різниця ходу хвиль, що прийшли різними шляхами від передавача до приймача, внаслідок чого посиленням і т.д. Можна сказати, що інтерференційні смуги «повзають» над поверхнями Землі, і приймач виявляється то максимум, то мінімум коливань. У передачі, що приймається, виходить при цьому зміна хорошої чутності і замирань прийому, при яких чутність може падати до нуля.
Рис. 149. Різні шляхи хвилі від передавача до приймача
Аналогічне явище спостерігається на екрані телевізора, якщо над околицею приймальної антени пролітає літак. Відбита літаком радіохвиля інтерферує з хвилею від станції, що передає, і ми бачимо, як зображення «блимає» через те, що інтерференційні «смуги» почергового посилення та ослаблення сигналу пробігають (через рух літака) повз приймальну антену.
Зауважимо, що при прийомі телевізійної передачі в місті досить часто спостерігається подвоєння (і навіть «розмноження») зображення на екрані кінескопа: воно складається з двох або кількох зображень, по-різному зрушених по горизонталі один щодо одного. Це результат відбиття радіохвилі від будинків, веж тощо. Відбиті хвилі проходять більш довгий шлях, ніж відстань між передавальною та приймальною антенами, і тому запізнюються, даючи картину. зсунуту у напрямку розгорнення електронного пучка у кінескопі. По суті, ми тут на власні очі спостерігаємо результат поширення радіохвиль з кінцевою швидкістю.
Прозорість іоносфери для радіохвиль, довжина яких менша, дозволила виявити радіовипромінювання, що надходить від позаземних джерел. Виникла і з 40-х років. нашого століття швидко розвивається радіоастрономія, що відкрила нові можливості для вивчення Всесвіту, понад ті, які має звичайна (оптична) астрономія. Будується все більше радіотелескопів, збільшуються розміри їх антен, підвищується чутливість приймачів і в результаті безперервно зростає кількість та різноманітність відкритих позаземних радіоджерел.
Виявилося, що радіохвилі випромінюють і Сонце, і планети, а за межами нашої Сонячної системи багато туманності і так звані наднові зірки. Безліч джерел радіовипромінювання відкрито поза нашою зірковою системою (Галактики). В основному – це інші галактичні системи, причому лише невелика їх частка ототожнена з туманностями, що оптично спостерігаються. «Радіогалактики» виявлено і на таких великих відстанях від нас (багато мільярдів років), які знаходяться за межами досяжності найсильніших сучасних оптичних телескопів. Були відкриті інтенсивні джерела радіовипромінювання, що мають дуже малі кутові розміри (частки кутової секунди). Спочатку їх вважали особливими зірками, що належать нашій Галактиці, і тому назвали квазізоряними джерелами або квазарами. Але з 1962 р. стало ясно, що квазари – це позагалактичні об'єкти з великою потужністю радіовипромінювання.
Окремі, або, як то кажуть, дискретні радіоджерела нашої Галактики випромінюють широкий спектр довжин хвиль. Але було виявлено і «монохроматичне» радіовипромінювання з довжиною хвилі, що випромінюється міжзоряним воднем. Дослідження цього випромінювання дозволило знайти загальну масу міжзоряного водню та встановити, як його розподілено по Галактиці. Останнім часом вдалося виявити монохроматичне радіовипромінювання на довжинах хвиль, властивих іншим хімічним елементам.
До всіх джерел радіовипромінювання, про які йшлося вище, інтенсивність дуже стала. Лише деяких випадках (зокрема, в Сонця) спостерігаються загальному постійному тлі окремі безладні спалахи радіовипромінювання. 1968 р. був ознаменований новим радіоастрономічним відкриттям великого значення: були виявлені джерела (які здебільшого знаходяться в межах Галактики), що випромінюють строго періодичні імпульси радіохвиль. Ці джерела одержали назву пульсарів. Періоди повторення імпульсів у різних пульсарів різні і доставляють від кількох секунд до кілька сотих часток секунди і навіть менше. Характер радіовипромінювання пульсарів отримує, мабуть, найбільш правдоподібне пояснення, якщо припустити, що пульсари - це зірки, що обертаються, що складаються в основному з нейтронів (нейтронні зірки). У виявленні та можливості спостереження таких зірок і полягає велике наукове значення цього радіоастрономічного відкриття.
Окрім прийому власного радіовипромінювання тіл Сонячної системи, застосовується також їхня радіолокація. Це так звана астрономія радіолокації. Приймаючи відбиті від будь-якої планет радіосигнали потужних локаторів, можна дуже точно вимірювати відстань до цієї планети, оцінювати швидкість її обертання навколо осі і судити (за інтенсивністю відображення радіохвиль різної довжини) про властивості поверхні і атмосфери планети.
Зазначимо на закінчення, що прозорість іоносфери для досить коротких радіохвиль дозволяє також здійснювати всі види радіозв'язку зі штучними супутниками Землі та космічними кораблями (власне зв'язок, радіокерування, телебачення, а також телеметрія – передача Землю показань різних вимірювальних приладів). З тієї ж причини можна використовувати тепер метрові радіохвилі для зв'язку та телебачення між сильно віддаленими один від одного пунктами земної поверхні (наприклад, між Москвою та нашими далекосхідними містами), застосовуючи одноразову ретрансляцію передач спеціальними супутниками, на яких встановлена приймально-передавальна радіоапаратура.
У цій статті розповімо вам про радіохвилі та властивості їх розповсюдження.
Багато людей, не володіючи елементарними поняттями про види енергії, їх властивості, часто розмірковують про способи бездротової передачі енергії на відстані. Інші, не знаючи, як поширюються радіохвилі, виготовляють антени до своїх радіопередавачів і радіоприймачів, намагаючись досягти максимальних характеристик передачі та прийому, але в них нічого не виходить. Одні читають розумні книжки, інші ґрунтуються на досвіді, чи раді малограмотного товариша. Для того, щоб розвіяти хоча б частину помилок і дати уявлення про електромагнітні хвилі і як їхній вид – радіохвилі присвячена ця стаття.
Як завжди, я не розписуватиму формул Максвелла, Фарадея та інших відомих діячів науки. Їх у величезній кількості є в підручниках фізики, читаючи які, навіть я – той, хто має освіту та досвід роботи в радіоелектроніці, не розумію, чому в цих підручниках наводяться розумні формули, а найпростіша інформація, яка має корисне практичне значення, відсутня? Адже наступного дня, чи тижня після закінчення школи, учень ці формули не згадає, а простих понять, як не знав, так і не знатиме.
Почнемо з того, що великий винахідник-практик електричних машин Нікола Тесла активно використовував у своїх експериментах електромагнітні коливання, про які раніше ніхто не знав, і як ми знаємо тепер із підручників фізики середньої школи породжують вид електромагнітних хвиль радіохвилі. Але повторюся, за часів Тесли про існування електромагнітних хвиль ніхто не знав. Інтуїтивно шляхом спостережень Тесла розумів, що в результаті його експериментів в навколишньому просторі з'являється якийсь вид енергії. Але в ті часи не існувало такої науки та обладнання, що дозволяє розкрити поняття електромагнітних хвиль. Тому це явище розглядалося як філософська категорія, яку Тесла називав. ефіром.
Нині розмірковують, що «ефір» та електромагнітні хвилі – це різні поняття. Вони зовсім не праві лише тому, що всі винаходи Тесли засновані на використанні звичайного змінного електричного струму і електромагнітних полів, які в свою чергу і породжують не «ефір», а звичайні електромагнітні хвилі в радіочастотному діапазоні. Саме те, що нині називається електромагнітними хвилями, на той час Нікола Тесла називав ефіром. Інших варіантів пояснень не може. Можна довго розмірковувати у тому, що це різні поняття. Наприклад, хтось із піною біля рота намагається довести, що швидкість поширення ефіру більша за швидкість світла, а доказова база відсутня. За допомогою якого експерименту Нікола Тесла міг виміряти швидкість ефіру? Ніде такої інформації нема. Висновок один, він її не вимірював, а лише припускав. Ви скажете, що ефір несе у собі енергію? Відповім, будь-яка електромагнітна хвиля несе в собі енергію! Мені траплялися практичні схеми радіоприймачів без батарейок, призначені не для роботи на навушники чи динамічну головку, а для отримання постійного електричного струму «з повітря» тими жителями мегаполісів, які мешкають поряд із потужними телерадіоцентрами.
де: f- Частота, λ - довжина хвилі, з- Швидкість світла, рівна 300 000 км/сек.
Радіохвилі поділяються на кілька діапазонів:
Наддовгі «СДВ»- Частотою 3 - 30 кГц, з довжиною хвилі 100 - 10 км;
Довгі «ДВ»- Частотою 30 - 300 кГц, з довжиною хвилі 10 - 1 км;
Середні «СВ»- Частотою 300 - 3000 кГц, з довжиною хвилі 1000 - 100 метрів;
Короткі «КВ»- Частотою 3 - 30 МГц, з довжиною хвилі 100 - 10 метрів;
Ультракороткі «УКХ», що включають:
- метрові "МВ"- Частотою 30 - 300 МГц, з довжиною хвилі 10 - 1 метра;
- Дециметрові «ДМВ»- Частотою 300 - 3000 МГц, з довжиною хвилі 10 - 1 дм;
- сантиметрові «СМВ»- Частотою 3 - 30 ГГц, з довжиною хвилі 10 - 1 см;
- міліметрові "ММВ"- Частотою 30 - 300 ГГц, з довжиною хвилі 10 - 1 мм;
- Субміліметрові «СММВ»- Частотою 300 - 6000 ГГц, з довжиною хвилі 1 - 0,05 мм;
Діапазони від дециметрових, до міліметрових хвиль, через їхню дуже високу частоту називають надвисокими частотами «НВЧ».
Звичайно всі перелічені діапазони радіохвиль, як вітчизняні, так і буржуазні можуть поділятися на піддіапазони.
Згадайте практичну важливість поляризації ЕМВ - якщо радіопередавач і радіоприймач налаштовані на ту саму частоту, але мають різну поляризацію, наприклад у передавача вертикальна, а у приймача - горизонтальна, то радіозв'язок буде поганий. До цього варто додати діаграму спрямованості штирьової антени, і тоді на прикладі двох радіотелефонів - переносних радіостанцій (1 і 2) зображених на малюнку нижче, можна зробити логічний висновок:
На дальність радіозв'язку також впливає ще один параметр – товщина елементів вібратора, чим вона більша, тим антена широкосмугові– діапазон частот, що добре приймаються, ширший, але рівень сигналу практично на всіх частотах зменшується. Це з тим, що дипольна антена – це той самий коливальний контур, а при розширенні смуги частот АЧХ резонансу, амплітуда резонансу зменшується. Тому не дивуйтеся, що телевізійна антена, виготовлена з пивних алюмінієвих банок у місті, де рівень сигналу телевізійної вежі великий, приймає телевізійний сигнал різних каналів не гірше, а найчастіше краще за складну професійну антену.
Хороші професійні радіоантени мають показник – коефіцієнтом посилення антени. Адже звичайний напівхвильовий вібратор не підсилює сигнал, його дія вибірково – на певній частоті, у певних напрямках та певній поляризації. Щоб у приймачі було менше перешкод, збільшити дальність прийому-передачі, одночасно при цьому звузити діаграму спрямованості антени (загальноприйнята назва – ДНА), простий напівхвильовий вібратор не годиться. Антену ускладнюють.
Раніше, я писав про вплив різних перешкод — їхню відбивну властивість. Якщо перешкода за своїми розмірами не порівнянна (на порядок менша) з довжиною радіохвилі, тоді це не є для радіосигналу перешкодою, вона ніяк на неї не впливає. Якщо перешкода знаходиться в площині паралельної електричної хвилі і більша за довжину хвилі, тоді ця перешкода відображає радіохвилю. Якщо перешкода по протяжності кратна (рівно чверті, половині або цілої) довжині хвилі, зорієнтована паралельно електричній хвилі і перпендикулярно напрямку поширення хвилі, тоді ця перешкода діє як резонансний коливальний контур на цілій довжині хвилі або її гармоніках, і має найбільші відбитки.
Наступний спосіб подальшого посилення приймального сигналу шляхом звуження та витягування ДНА – додавання пасивного вібратора – директора. Принцип дії на тому ж синфазному додаванні. Діаграма спрямованості у своїй ще більше звужується і витягується. На малюнку зображена антена «хвильовий канал», Що складається з рефлектора (1), петльового напівхвильового вібратора (2) та одного директора (3). Подальше додавання директорів ще сильніше звужує та витягує діаграму спрямованості. Довжина директорів (В) вибирається трохи менше довжини активного вібратора. Для збільшення коефіцієнта посилення антени та її широкосмуговості перед активним вібратором додаються директори з поступовим зменшенням їх довжини. Зверніть увагу, що довжина активного вібратора дорівнює половині середньої довжини хвилі сигналу, довжина рефлектора - більше половини довжини хвилі, а довжина директора - менше половини довжини хвилі. Відстань між елементами вибирається також близько половини довжини хвилі.
У професійній техніці часто застосовується спосіб звуження ДНА та підвищення підсилювальних властивостей антени. фазовані антенні грати, в якій паралельно підключається кілька антен (наприклад, простих диполів, або антен типу «хвильовий канал»). В результаті відбувається додавання струмів сусідніх каналів, і як результат - підвищення потужності сигналу.
На надвисоких частотах як вібратор антени застосовують хвилевід, а як рефлектор застосовують суцільне полотно, всі точки якого рівновіддалені від площини вібратора (на однаковій відстані) – параболоїд обертання, або в народі – «тарілка». Така антена має дуже вузьку діаграму спрямованості та високий коефіцієнт посилення антени.
Висновки на основі поширення та складності формування радіохвиль
Як і куди поширюються радіохвилі, можна розрахувати за допомогою розумних формул і перетворень тільки для ідеальних умов – за відсутності природних перешкод. Для цього елементи антен різні поверхні повинні бути ідеально рівні. На практиці, через вплив багатьох факторів заломлення та відображення, ще жоден «вчений мозок» не зміг з високою достовірністю розрахувати поширення радіохвиль у природних умовах. Існують області простору впевненого прийому та зони радіотіні – там, де прийом зовсім відсутній. Тільки в кіно альпіністи не відповідають на виклик по радіозв'язку тому, що у них зайняті руки, або вони самі зайняті «рятуванням світу», насправді радіозв'язок – справа не стійка і частіше альпіністи не відповідають тому, що зв'язку просто немає – відсутнє проходження радіохвиль . Саме залежність радіозв'язку від природних явищ (дощ, низька хмарність, розрядженість атмосфери тощо) призвела до виникнення поняття «радіоаматор». Це зараз поняття «радіоаматор» – людина, яка любить паяти радіосхеми. Років двадцять тому це був «зв'язківець-короткохвильовик», який на виготовленому своїми руками малопотужному трансівері зв'язувався з іншим радіоаматором (або інакше — радіокореспондентом), що знаходиться на іншому боці Землі, за що отримував «бонуси». Раніше навіть проводилися змагання з радіозв'язку. Нині також проводяться, але з розвитком техніки це стало не так актуально. Серед цих радіоаматорів-зв'язківців є багато незадоволених тим, що звичайні «паяли», які не сидять у навушниках у пошуках радіокореспондентів для організації радіообміну, називають себе радіоаматорами.
Якби Максвелл не передбачив існування радіохвиль, а Герц не відкрив їх на практиці, наша дійсність була б зовсім іншою. Ми не могли б швидко обмінюватися інформацією за допомогою радіо та мобільних телефонів, досліджувати далекі планети та зірки за допомогою радіотелескопів, спостерігати за літаками, кораблями та іншими об'єктами за допомогою радіолокаторів.
Яким чином радіохвилі допомагають нам у цьому?
Джерела радіохвиль
Джерелами радіохвиль у природі є блискавки - гігантські електричні іскрові розряди в атмосфері, сила струму в яких може досягати 300 тисяч ампер, а напруга - мільярда вольт. Блискавки ми спостерігаємо під час грози. До речі, вони виникають не лише на Землі. Спалахи блискавок були виявлені на Венері, Сатурні, Юпітері, Урані та інших планетах.
Практично всі космічні тіла (зірки, планети, астероїди, комети та ін) також є природними джерелами радіохвиль.
У радіомовленні, радіолокації, супутниках зв'язку, стаціонарного та мобільного зв'язку, різних системах навігації застосовуються радіохвилі, отримані штучним шляхом. Джерелом таких хвиль служать високочастотні генератори електромагнітних коливань, енергія яких передається в простір за допомогою антен, що передають.
Властивості радіохвиль
Радіохвилі – це електромагнітні хвилі, частота яких знаходиться в інтервалі від 3 кГц до 300 ГГц, а довжина – від 100 км до 1 мм відповідно. Поширюючись серед, вони підпорядковуються певним законам. При переході з одного середовища до іншого спостерігається їх відображення та заломлення. Притаманні їм явища дифракції та інтерференції.
Дифракція, або обгинання, відбувається, якщо на шляху радіохвиль зустрічаються перешкоди, розміри яких менші за довжину радіохвилі. Якщо ж їх розміри виявляються більшими, то радіохвилі відбиваються від них. Перешкоди можуть мати штучне (споруди) чи природне (дерева, хмари) походження.
Відбиваються радіохвилі та від земної поверхні. Причому поверхня океану відбиває їх приблизно на 50% сильніше, ніж сийша.
Якщо перешкода є провідником електричного струму, якусь частину своєї енергії радіохвилі віддають йому, а провіднику створюється електричний струм. Частина енергії витрачається на збудження електрострумів на Землі. Крім того, радіохвилі розходяться від антени колами в різні боки, подібно до хвиль від кинутого у воду камінця. З цієї причини радіохвилі згодом втрачають енергію та згасають. І чим далі від джерела знаходиться приймач радіохвиль, тим слабший сигнал, що дійшов до нього.
Інтерференція, чи накладення, викликає взаємне посилення чи ослаблення радіохвиль.
Радіохвилі поширюються у просторі зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла (до речі, світло – це теж електромагнітна хвиля).
Як і будь-які електромагнітні хвилі, радіохвилі характеризуються довжиною та частотою хвилі. З довжиною хвилі частота пов'язана співвідношенням:
f = c/ λ ,
де f - Частота хвилі;
λ - довжина хвилі;
c - швидкість світла.
Як бачимо, що більше довжина хвилі, то менше її частота.
Радіохвилі розбиваються на наступні діапазони: наддовгі, довгі, середні, короткі, ультракороткі, міліметрові та дециміліметрові хвилі.
Поширення радіохвиль
Радіохвилі різної довжини поширюються у просторі не однаково.
Наддовгі хвилі(Довжина хвилі від 10 км і більше) легко огинають великі перешкоди поблизу поверхні Землі і дуже слабко поглинаються нею, тому енергії вони втрачають менше інших радіохвиль. Отже, загасають вони також набагато повільніше. Тому у просторі такі хвилі поширюються на відстані до кількох тисяч кілометрів. Глибина їхнього проникнення в середу дуже велика, і їх використовують для зв'язку з підводними човнами, що знаходяться на великій глибині, а також для різних досліджень у геології, археології та інженерній справі. Здатність наддовгих хвиль легко огинати Землю дозволяє досліджувати з допомогою земну атмосферу.
Довгі, або кілометрові, хвилі(Від 1 км до 10 км, частота 300 кГц - 30 кГц) також піддаються дифракції, тому здатні поширюватися на відстані до 2000 км.
Середні, або гектометрові, хвилі(від 100 м до 1 км, частота 3000 кГц - 300 кГц) гірше огинають перешкоди на поверхні Землі, сильніше поглинаються, тому набагато швидше загасають. Вони поширюються на відстані до 1000 км.
Короткі хвиліповодяться інакше. Якщо ми налаштуємо автомобільний радіоприймач у місті на коротку радіохвилю і почнемо рухатися, то при віддаленні від міста прийом радіосигналу буде все гірше, а на відстані приблизно 250 км він припиниться зовсім. Однак через деякий час радіотрансляція відновиться. Чому так відбувається?
Вся справа в тому, що радіохвилі короткого діапазону (від 10 м до 100 м, частота 30 МГц - 3 МГц) біля Землі згасають дуже швидко. Однак хвилі, що йдуть під великим кутом до горизонту, відбиваються від верхнього шару атмосфери – іоносфери, і повертаються назад, залишаючи позаду сотні кілометрів «мертвої зони». Далі ці хвилі відбиваються вже від земної поверхні і знову прямують до іоносфери. Багаторазово відбиваючись, вони здатні кілька разів обігнути земну кулю. Чим коротша хвиля, тим більший кут відбиття від іоносфери. Але вночі іоносфера втрачає відбивну здатність, тому у темний час доби зв'язок на коротких хвилях гірший.
А ультракороткі хвилі(метрові, дециметрові, сантиметрові з довжиною хвилі коротше 10 м), що не можуть відбиватися від іоносфери. Поширюючись прямолінійно, вони пронизують її і йдуть вище. Це їхня властивість використовують для визначення координат повітряних об'єктів: літаків, зграй птахів, рівня та щільності хмар та ін. Але й огинати земну поверхню ультракороткі хвилі теж не можуть. Через те, що вони поширюються в межах прямої видимості, їх застосовують для радіозв'язку на відстані 150 – 300 км.
За своїми властивостями ультракороткі хвилі близькі до світлових хвиль. Але світлові хвилі можна зібрати в пучок і направити їх у потрібне місце. Так влаштовані прожектор та ліхтарик. Так само роблять і з ультракороткими хвилями. Їх збирають спеціальними дзеркалами-антенами і вузький пучок посилають у потрібному напрямку, що особливо важливо, наприклад, радіолокації або супутникового зв'язку.
Міліметрові хвилі(від 1 см до 1 мм), найкоротші хвилі радіодіапазону, схожі з ультракороткими хвилями. Вони також поширюються прямолінійно. Але серйозною перешкодою їм є атмосферні опади, туман, хмари. Крім радіоастрономії, високошвидкісного радіорелейного зв'язку вони знайшли застосування у НВЧ техніці, що використовується в медицині та побуті.
Субміліметрові, або дециміліметрові хвилі (від 1 мм до 0,1 мм) за міжнародною класифікацією також відносяться до радіохвиль. У природних умовах вони майже не існують. В енергії спектра Сонця займають мізерну частку. Поверхні Землі не досягають, оскільки поглинаються парами води та молекулами кисню, що у атмосфері. Створені штучними джерелами, що застосовуються в космічному зв'язку, для дослідження атмосфер Землі та інших планет. Високий рівень безпеки цих хвиль для організму людини дозволяє застосовувати їх у медицині для сканування органів.
Субміліметрові хвилі називають хвилями майбутнього. Цілком можливо, що вони дадуть вченим можливість вивчати будову молекул речовин зовсім новим способом, а в майбутньому, можливо, навіть дозволять керувати молекулярними процесами.
Як бачимо, кожен діапазон радіохвиль застосовується там, де його поширення використовуються з максимальною користю.
Радіохвилі, та його поширення, є незаперечною загадкою для любителів ефіру. Тут можна познайомитися з азами теорії поширення радіохвиль. Ця стаття призначена для ознайомлення любителів ефіру, а також і для тих, хто має деяке уявлення про нього.
Найголовніша вступна, про яку часто забувають сказати, перш ніж познайомити з теорією поширення радіохвиль, так це те, що радіохвилі поширюються навколо нашої планети за рахунок відбиття від іоносфери і від землі, як від напівпрозорих дзеркал відбивається промінь світла.
Особливості поширення середніх хвиль та перехресна модуляція
До середніх хвиль відносяться радіохвилі довжиною від 1000 до 100 м (частоти 0,3 - 3,0 МГц). Середні хвилі використовуються головним чином мовлення. А так само вони є колискою вітчизняного радіопіратства. Вони можуть поширюватися земним та іоносферним шляхом. Середні хвилі зазнають значного поглинання в напівпровідній поверхні Землі, дальність поширення земної хвилі 1 (див. рис. 1), обмежена відстанню 500-700 км. На великі відстані радіохвилі 2 та 3 поширюються іоносферною (просторовою) хвилею.
У нічний час середні хвилі поширюються шляхом відбиття від шару Е іоносфери (див. рис. 2), електронна щільність якого виявляється достатньою для цього. У денні години на шляху розповсюдження хвилі розташований шар D, який дуже поглинає середні хвилі. Тому при звичайних потужностях передавачів, напруженість електричного поля недостатня для прийому, і в денний час поширення середніх хвиль відбувається практично тільки земною хвилею на порівняно невеликі відстані, близько 1000 км. У діапазоні середніх хвиль більш довгі хвилі відчувають менше поглинання, і напруженість електричного поля іоносферної хвилі більше на більш довгих хвилях. Поглинання збільшується у літні місяці та зменшується у зимові. Іоносферні обурення не впливають на поширення середніх хвиль, тому що шар Е мало порушується під час іоносферно-магнітних бур.
У нічний годинник див. рис. 1, на деякій відстані від передавача (точка), можливий прихід одночасно просторової 3 і поверхневої хвиль 1, причому довжина шляху просторової хвилі змінюється зі зміною електронної щільності іоносфери. Зміна різниці фаз цих хвиль призводить до коливання напруженості електричного поля, що називається ближнім завмиранням поля.
На значну відстань від передавача (точка С) можуть прийти хвилі 2 та 3 шляхом одного та двох відбитків від іоносфери. Зміна різниці фаз цих двох хвиль також призводить до коливання напруженості електричного поля, що називається далеким завмиранням поля.
Для боротьби із завмираннями на передавальному кінці лінії зв'язку застосовуються антени, у яких максимум діаграми спрямованості «притиснутий» до земної поверхні, до них можна віднести найпростішу антену «Inverted-V», яку часто використовують радіоаматори. За такої діаграми спрямованості зона ближніх замирань віддаляється від передавача, але в великих відстанях поле хвилі, що прийшла шляхом двох відбитків, виявляється ослабленим.
На жаль не всі радіомовники-початківці, що працюють в діапазоні частот 1600-3000кГц знають, що слабкий сигнал від малопотужного передавача схильний до іоносферних спотворень. Сигнал від потужніших радіопередавачів іоносферних спотворень схильний менше. Зважаючи на нелінійну іонізацію іоносфери, відбувається модуляція слабкого сигналу модулюючим напругою сигналів потужних станцій. Це називається перехресною модуляцією. Глибина коефіцієнта модуляції сягає 5-8%. З боку прийому створюється враження не якісно виконаного передавача, з гулами і хрипами, особливо це помітно в режимі АМ модуляції.
За рахунок перехресної модуляції в приймач часто проникають інтенсивні грозові перешкоди, які неможливо відфільтрувати - грозовий розряд модулює сигнал, що приймається. Саме з цієї причини радіомовники для проведення двостороннього радіозв'язку стали застосовувати односмугові передавачі та стали частіше працювати на більш високих частотах. Закордонні радіовішачі СВ станцій, умощують їх, і піддають компресії модулюючі сигнали, а для неспотвореної роботи в ефірі застосовують інверсні частоти.
Явлення демодуляції та перехресної модуляції в іоносфері спостерігаються лише у діапазоні середніх хвиль (СВ). У діапазоні коротких хвиль (КВ) швидкість електрона під дією електричного поля дуже мала в порівнянні з його тепловою швидкістю і присутність поля не змінює числа зіткнень електрона з важкими частинками.
Найбільш сприятливими, в діапазоні частот від 1500 до 3000кГц для далеких зв'язків, є зимові ночі та періоди мінімуму сонячної активності. Особливо далекі зв'язки, понад 10000 км, зазвичай можливі в години заходу та сходу сонця. У денний час зв'язок можливий на відстань до 300 км. Вільні радіомовники FM діапазону можуть лише позаздрити таким великим радіотрасам.
Влітку цьому діапазоні часто заважають перешкоди від статичних розрядів у атмосфері.
Особливості поширення коротких хвиль та їх характеристики
До коротких хвиль відносяться радіохвилі завдовжки від 100 до 10 м (частоти 3-30 МГц). Перевагою роботи на коротких хвилях у порівнянні з роботою на більш довгих хвилях є те, що в цьому діапазоні легко створити спрямовані антени. Короткі хвилі можуть поширюватися як земні, низькочастотної частини діапазону, і як іоносферні.
З підвищенням частоти сильно зростає поглинання хвиль на поверхні Землі. Тому при звичайних потужностях передавача земні хвилі короткохвильового діапазону поширюються на відстані, що не перевищують кількох десятків кілометрів. На морській гладі, ця відстань значно збільшується.
Іоносферною хвилею короткі хвилі можуть поширюватися на багато тисяч кілометрів, причому для цього не потрібно передавачів великої потужності. Тому в даний час короткі хвилі використовуються головним чином для зв'язку та мовлення на великі відстані.
Короткі хвилі поширюються на далекі відстані шляхом відбиття від іоносфери та поверхні Землі. Такий спосіб поширення називають стрибковим див. 2 і характеризується відстанню стрибка, числом стрибків, кутами виходу і приходу, максимальною частотою, що застосовується (МПЧ) і найменшою застосовною частотою (НПЧ).
Якщо іоносфера однорідна у горизонтальному напрямі, те й траєкторія хвилі симетрична. Зазвичай випромінювання відбувається у певному спектрі кутів, оскільки ширина діаграми спрямованості короткохвильових антен у вертикальній площині становить 10-15°. Мінімальна відстань стрибка, для якого виконується умова відображення, називають відстанню зони мовчання (ЗМ). Для відображення хвилі необхідно, щоб робоча частота була не вище значення максимально застосовної частоти (МПЧ), що є верхньою межею робочого діапазону для даної відстані. Хвиля 4.
Застосування антен зенітного випромінювання, як із прийомів зменшення зони мовчання, обмежується поняттям максимально застосовної частоти (МПЧ) з урахуванням зниження її на 15-20% від МПЧ. Антени зенітного випромінювання застосовують для мовлення у ближній зоні методом односкачкового відбиття від іоносфери.
Друга умова обмежує робочий діапазон знизу: що нижча робоча частота (не більше короткохвильового діапазону), то сильніше поглинання хвилі в іоносфері. Найменшу - застосовну частоту (НПЧ) визначають з умови, що при потужності передавача в 1кВт, напруженість електричного поля сигналу повинна перевищувати рівень шумів, а отже, поглинання сигналу в шарах іоносфери має бути не більшим за допустиме. Електронна щільність іоносфери змінюється протягом доби, протягом року та періоду сонячної активності. Отже, змінюються і межі робочого діапазону, що зумовлює необхідність зміни робочої довжини хвилі протягом доби.
Діапазон частот 1,5-3 МГц,є нічним. Зрозуміло, що для успішного проведення сеансу радіозв'язку потрібно щоразу правильно вибирати частоту (довжину хвилі), до того ж це ускладнює конструкцію станції, але для справжнього поціновувача далеких зв'язків це не є труднощами, це є частиною хобі. Проведемо оцінку КВ діапазону дільниць.
Діапазон частот 5-8 мГц,багато в чому схожий на діапазон 3 мГц, і на відміну від нього, тут у денний час можна зв'язатися до 2000 км, зона мовчання (ЗМ) відсутня і становить кілька десятків кілометрів. У нічний годинник можливий зв'язок на будь-яку відстань за винятком ЗМ, який збільшується до кількох сотень кілометрів. У години зміни часу доби (захід/схід) найбільш зручні для далеких зв'язків. Атмосферні перешкоди менш виражені, ніж діапазоні 1,5-3 мГц.
У діапазоні частот 10-15 мГцу періоди сонячної активності можливі зв'язки вдень практично з будь-якою точкою земної кулі. Влітку тривалість радіозв'язку у цьому діапазоні частот буває цілодобової, крім окремих днів. Зона мовчання вночі має відстані 1500-2000 км і з цього можливі лише далекі зв'язки. Вдень вони зменшуються до 400-1000 км.
Діапазон частот 27-30 мГцпридатний для зв'язку лише у світлий час доби. Це найкапризніший діапазон. Він зазвичай відкривається кілька годин, днів чи тижнів особливо у зміні сезонів, тобто. восени та навесні. Зона мовчання (ЗМ) сягає 2000-2500 км. Це відноситься до теми МПЧ, тут кут відбитої хвилі повинен бути малим по відношенню до іоносфери, інакше він має велике згасання в іоносфері, або простий відхід у космічні простори. Малі кути випромінювання відповідають великим стрибкам і відповідно великим зонам мовчання. У періоди максимуму сонячної активності можливий зв'язок і вночі.
Крім перерахованих моделей, можливі випадки аномального поширення радіохвиль. Аномальне поширення може виникнути при появі на шляху хвилі спорадичного шару, від якого можуть відбиватися короткі хвилі, аж до метрових. Це явище можна спостерігати практично проходженням далеких телестанцій і FM радіостанцій. МПЧ радіосигналу в цей час доходить до 60-100 мГц в роки сонячної активності.
У діапазоні УКХ FM,за винятком поодиноких випадків аномального поширення радіохвиль, поширення обумовлено строго так званою «прямою видимістю». Поширення радіохвиль у межах прямої видимості говорить саме за себе, і зумовлено висотою розташування передавальної та приймальної антен. Зрозуміло, що в умовах міської забудови про жодну візуальну і пряму видимість говорити не можна, але радіохвилі проходять крізь міські забудови з деяким ослабленням. Чим вища частота, тим вище загасання в міських забудовах. Діапазон частот 88-108 МГц так само схильний до деяких згасань в умовах міста.
Завмирання радіосигналів діапазону КВ
Прийом коротких радіохвиль завжди супроводжується вимірюванням рівня сигналу, причому ця зміна носить випадковий і тимчасовий характер. Таке явище називають завмираннями (федінгом) радіосигналу. В ефірі спостерігаються швидкі та повільні федінги сигналу. Глибина федінга може досягати кількох десятків децибел.
Основною причиною швидких завмирань сигналу є багатопроменеве поширення радіохвиль. У цьому випадку причиною федінгів служить прихід в точку прийому двох променів, що поширюються шляхом одного і двох відбиття від іоносфери, хвиля 1 і хвиля 3 див. рис 2.
Оскільки промені проходять різні шляхи на відстані, фази приходу їх неоднакові. Зміни електронної щільності, що безперервно відбуваються в іоносфері, призводять до зміни довжини шляху кожного з променів, а отже, і зміни різниці фаз між променями. Для зміни фази хвилі на 180° достатньо, щоб довжина шляху змінилася лише на ½. Слід нагадати, що при приході променів одного сигналу в точку прийому з однаковою силою і з різницею фаз на 180°, вони повністю віднімаються за законом векторів, а сила сигналу в цьому випадку може дорівнювати нулю. Такі незначні зміни довжини шляху можуть відбуватися безперервно, тому коливання напруженості електричного поля в діапазоні коротких хвиль є частими і глибокими. Інтервал їх спостереження в 3-7 хвилин може становити на низьких частотах діапазону КВ, і до 0,5 секунд на частотах ближче до 30 МГц.
Крім цього, федінг сигналу викликаються розсіюванням радіохвиль на неоднорідностях іоносфери та інтерференцією розсіяних хвиль.
Крім інтерференційних федінгів, на коротких хвилях, мають місце поляризаційні федінги. Причиною поляризаційних федінгів є поворот площини поляризації хвилі щодо антени, що приймається. Це відбувається при поширенні хвилі в напрямку силових ліній магнітного поля Землі та зі зміною електронної щільності іоносфери. Якщо передавальна і приймальна антени є горизонтальними вібраторами, то випромінювана горизонтально — поляризована хвиля, після проходження в іоносфері зазнає повороту площини поляризації. Це призводить до коливань е. д. с., що наводиться в антені, що має додаткове згасання до 10 дБ.
Насправді всі зазначені причини замирань сигналу діють, зазвичай, комплексно і підпорядковуються описаним законом розподілу Релея.
Крім швидких завмирань, спостерігаються повільні завмирання, які спостерігаються з періодом 40-60 хв в низькочастотній частині КВ діапазону. Причиною цих федінгів є зміна поглинання радіохвиль в іоносфері. Розподіл амплітуди сигналу, що обгинає, при повільних завмираннях підпорядковується нормально логарифмічному закону зі зменшенням сигналу до 8-12 дБ.
Для боротьби із завмираннями на коротких хвилях застосовують метод прийому на рознесені антени. Справа в тому, що збільшення та зменшення напруженості електричного поля відбуваються не одночасно навіть на порівняно невеликій площі земної поверхні. У практиці короткохвильового зв'язку використовують зазвичай дві антени, рознесені відстань кількох довжин хвиль, а сигнали складають після детектування. Ефективним є рознесення антен поляризації, тобто одночасний прийом на вертикальну і горизонтальну антени з подальшим додаванням сигналів після детектування.
Хочеться відзначити, що зазначені заходи боротьби є дієвими тільки для усунення швидких замирань, повільні зміни сигналу не усуваються, оскільки це пов'язано зі зміною поглинання радіохвиль в іоносфері.
У радіоаматорській практиці метод рознесених антен використовується досить рідко, зважаючи на конструктивну дорожнечу і відсутність необхідності прийому досить достовірної інформації. Це пов'язано з тим, що любителі часто використовують резонансні та діапазонні антени, кількість яких у його господарстві становить близько 2-3 штук. Використання рознесеного прийому потребує збільшення парку антен мінімум удвічі.
Інша справа, коли любитель живе в сільській місцевості, маючи при цьому достатню площу для розміщення антифедінгової конструкції, він може застосувати для цього просто два широкосмугові вібратори, що перекривають всі або майже всі необхідні діапазони. Один вібратор має бути вертикальним, інший горизонтальним. Для цього зовсім не обов'язково мати кілька щоглів. Достатньо розмістити їх так, на одній щоглі, щоб вони були зорієнтовані відносно один одного під кутом 90°. Дві антени, в цьому випадку, нагадуватимуть широко відому антену «Inverted-V».
Розрахунок радіусу покриття радіосигналом в УКХ/FM діапазонах.
Частоти метрового діапазону поширюються у межах прямої видимості. Радіус дії поширення радіохвилі в межах прямої видимості без урахування потужності випромінювання передавача та інших природних явищ, що зменшують ефективність зв'язку, виглядає так:
r = 3,57 (√h1 + √h2), км,
Розрахуємо радіуси прямої видимостіпри установці приймальної антени різних висотах, де h1 — параметр, h2 = 1,5 м. Зведемо в таблицю 1.
Таблиця 1
| h1 (м) | 10 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 50 | 60 |
| r (км) | 15,6 | 20,3 | 22.2 | 24 | 25.5 | 27,0 | 29,6 | 32 |
Дана формула не враховує загасання сигналу та потужності передавача, вона говорить лише про можливість прямої видимості з урахуванням ідеально круглої землі.
Зробимо розрахунокнеобхідного рівня радіосигналу разом прийому довжини хвилі 3 м.
Оскільки на трасах між передавальної станцією і рухомим об'єктом завжди присутні такі явища як, відбиття, розсіювання, поглинання радіосигналів різними об'єктами та ін. Окумура.Середньоквадратичне відхилення для цього діапазону з міськими забудовами складе 3 дБ, а при ймовірності зв'язку в 99% введемо множник 2, що складе загальну поправку П в рівні радіосигналу
П = 3×2 = 6 дБ.
Чутливість приймачів визначається співвідношенням корисного сигналу над шумами 12 дБ, тобто. у 4 рази. Таке співвідношення при якісному радіомовленні не прийнятне, тому введемо додаткове виправлення ще в 12-20 дБ, приймемо 14 дБ.
Разом загальна поправка в рівні сигналу, що приймається з урахуванням згасання його по трасі і специфіці приймального пристрою, складе: 6+16 20дБ (в 10 разів). Тоді при чутливості приймача 1,5 мкВ. у місці прийому має створюватися поле з напруженістю в 15 мкВ/м.
Розрахуємо за формулою Введенськогорадіус дії при заданій напруженості поля 15 мкВ/м з урахуванням потужності передавача, чутливості приймача та міських забудов:
де r - км; Р - кВт; G - дБ (= 1); h - м; λ - м; Е - мВ.
У цьому розрахунку не враховується коефіцієнт посилення приймальної антени, а також загасання у фідері та смуговому фільтрі.
Відповідь:При потужності в 10 Вт, висоті випромінювання h1 = 27 метрів і h2 = 1,5 м, якісний радіоприйом з радіусом в міських забудовах складе 2,5-2,6 км. Якщо враховувати, що прийом радіосигналів вашого радіопередавача здійснюватиметься на середніх та високих поверхах житлових будівель, то цей радіус дії збільшиться приблизно у 2-3 рази. Якщо приймати радіосигнали на винесену антену, то радіус дії обчислюватиметься десятками кілометрів.
73! UA9LBG & Радіо-Вектор-Тюмень
Студент педагогічного вузу: життєві та професійні перспективи: Монографія Професійна діяльність молодого педагога
Особливості компетентнісно-орієнтованої освіти Готуємось до уроку
Психолого-педагогічні підходи до оцінки результатів компетентнісно-орієнтованої освіти III