3.2. Радиоволны
Радиоволны представляют собой процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве, создаваемых токами высокой частоты диапазона 3∙10 3 — 3∙10 12 Гц [1]. 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. 3.4, а). 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 под большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 3.4, б).
Рис. 3.4. 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. 3.4, в). Силовые линии поля замыкаются на обкладках конденсатора. Изображение пластин конденсатора на концах катушки открытого колебательного контура на рисунке является лишь условностью.
В действительности контур состоит из длинного провода – антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли. Всякий металлический проводник обладает собственной емкостью и индуктивностью, т.е. является открытым колебательным контуром. Открытый колебательный контур принято называть вибратором. Резонансная частота (F) такой антенны определяется емкостью и индуктивностью металлического проводника или элементов подстройки:
Рис. 3.5. Графическое представление радиоволны
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. Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна.
Электромагнитную волну условно можно представить в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одна синусоида изображает изменение электрической составляющей волны (Е), а другая — магнитной (Н) (рис. 3.5). Распространение электрической составляющей (а соответственно и магнитной) в вертикальной или горизонтальной плоскости определяется расположением в пространстве передающей антенны. 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.), но имеют свои особенности (в отличие от механических волн) в связи с другой физической природой. Радиоволны могут распространяться как в упругой среде (воздух, вода, металл и т.д.), так и в вакууме, но в основном рассматривается распространение радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат атмосфера Земли или космическое пространство. Среда в данном случае является тем звеном в радиосвязи, которое практически не поддается управлению, хотя и подлежит относительно достоверным расчетам. Скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве приблизительно равна скорости света – 300000 км/с.
В отличие от механических колебаний скорость радиоволны не зависит от среды распространения и частота колебаний в колебательном контуре определяет длину радиоволны. Таким образом, можно утверждать, что 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 ∙ 10 8 / f (м), l=VT,
где l — длина волны, V – скорость распростронения электромагнитной энергии,
f — частота, T — период колебаний.
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 10 3 -10 6 электронов в 1см 3 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 (например, длинные волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на 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.
За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются, и на расстоянии, равном 3-5 радиусам земного шара (средний радиус земного шара равен 6370 км), атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2-20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве.
Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.
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. Тропосфера влияет на распространение волн вдоль земной поверхности и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с атмосферной рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы. Благодаря атмосферной рефракции осуществляется передача информации с помощью систем тропосферной связи.
Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) 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. В случае идеальной проводимости земной поверхности радиоволны отражались бы от нее без потерь, но реально земная поверхность не является ни идеальным проводником, ни идеальным диэлектриком. Поэтому 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.
При распространении радиоволн энергия радиоволны непрерывно уменьшается не только из-за явления рассеивания. 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 поглощением радиоволн.
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. Для возникновения дифракции размеры препятствия должны быть соизмеримы с длиной волны, поэтому в диапазонах, где длины радиоволн составляют единицы метров и менее, дифракции на препятствиях городского плана (здания) практически не происходит.
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 (несколькими переотражениями). Во многих случаях (не только городская застройка, но и, например, холмистая местность) 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) (рис. 3.6) и, следовательно, ухудшение качества или даже пропадание связи в зависимости от разницы амплитуд взаимодействующих сигналов. Эти точки пространства получили название интерференционного максимума и интерференционного минимума.
Рис. 3.6. Особенности распространения волн:
а) явления замирания; б) зона молчания
Рис. 3.7. Графическое представление
изменения уровня сигнала
расса распространения радиосигнала изменяется при перемещениях подвижного абонента и движении окружающих предметов. Даже малейшее их перемещение приводит к изменению условий многолучевого распространения и как следствие к изменению параметров принимаемого сигнала. Предположим, например, что абонент находится на улице с оживленным движением. Хотя абонент относительно неподвижен, часть окружающей среды (автомобили) движется со средней скоростью 50 км/ч. Автомобили на улице являются движущимися отражателями радиосигналов и существенно изменяют во времени среду распространения, а следовательно, и характеристики принимаемого абонентом радиосигнала. Уровень принимаемого сигнала особенно сильно изменяется во времени при перемещении самого абонента. Перемещение лишь на доли длины волны может вызвать значительное изменение принимаемого уровня. Если рассмотреть абонента, передвигающегося в автомобиле, то за счет его движения будут изменяться и расстояние до базовой станции, и конфигурация препятствий на пути распространения радиосигнала от базовой станции к абоненту. В обоих случае в условиях многолучевого распространения радиосигнал может моделироваться как случайным образом изменяющаяся во времени среда распространения.
Изменения уровня принимаемого сигнала при перемещениях абонента представлены на рис. 3.7, из которого видно, что уровень сигнала испытывает флуктуации, известные как быстрые (кратковременные) замирания. С другой стороны, локальное среднее значение уровня сигнала также изменяется, но медленно. Эти медленные флуктуации зависят в основном от характеристик среды распространения, их причиной являются особенности рельефа местности вдоль трассы распространения радиосигнала.
Модели распространения, применяемые для энергетического расчета радиоканалов, чаще всего оценивают его медианную (среднюю) величину, не учитывая быстрые замирания. При теоретическом рассмотрении условий распространения земных радиоволн атмосферу считают сначала непоглощающей средой с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, равными единице, а затем вносят необходимые поправки.
Итак, распространение радиоволн в основном происходит в атмосфере и у поверхности земли, причем электрические и магнитные характеристики среды сильно искажают идеальную картину излучения и распространения радиоволн. Но, зная общую картину распространения радиоволн, можно нейтрализовать большую часть негативных влияний, вызванных физическими свойствами радиоволн.
Излучение и прием электромагнитных волн.
В колебательном контуре происходит взаимное превращение магнитного и электрического полей. При этом электрические заряды движутся ускоренно. Электрическое поле ограничено в пространстве между обкладками конденсатора, магнитное – внутри соленоида. Поэтому распространение электромагнитных волн в окружающем пространстве не происходит. Такую цепь называют закрытым колебательным контуром.
Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство.
Если колебательный контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство.
Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки.
В действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли.
Принципы радиосвязи
В передающей антенне создаются незатухающие электромагнитные колебания высокой частоты. Энергия излучаемых электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до тысяч мегагерц. Эти высокочастотные (ВЧ) волны называют несущими волнами
В окружающем пространстве распространяется электромагнитная волна.
Колебательный контур в цепи приемной антенны настраивается в резонанс с несущей частотой. Он используется для усиления полученного сигнала в приемной цепи
В приемной антенне возбуждаются вынужденные колебания с частотой передачи
Для передачи информации используется модуляция несущей волны, то есть наложение колебаний звуковой частоты на высокую частоту
Амплитудный модулятор в структуре любого радиопередающего устройства изменяет амплитуду высокочастотных колебаний в соответствии со звуковыми колебаниями микрофона
несущая волна высокой частоты
ЭМВ звуковой частоты
Амплитудная модуляция высокочастотной электромагнитной волны
Шкала электромагнитных волн
По мере развития науки и техники были обнаружены различные виды излучений: радиоволны, видимый свет, рентгеновские лучи, гамма- излучение. Все эти излучения имеют одну и ту же природу. Они являются электромагнитными волнами. Разнообразие свойств этих излучений обусловлено их частотой (или длиной волны). Между отдельными видами излучений нет резкой границы, один вид излучения плавно переходит в другой. Различие свойств становится заметным только в том случае, когда длины волн различаются на несколько порядков.
Для систематизации всех видов излучений составлена единая шкала электромагнитных волн:
Шкала электромагнитных волн это непрерывная последовательность частот (длин волн) электромагнитных излучений. Разбиение шкалы ЭМВ на диапазоны весьма условное.
Известные электромагнитные волны охватывают огромный диапазон длин волн от 10 4 до 10 -10 м. По способу получения можно выделить следующие области длин волн:
1. Низкочастотные волны более 100 км (10 5 м). Источник излучения — генераторы переменного тока
2. Радиоволны от 10 5 м до 1 мм. Источник излучения — открытый колебательный контур (антенна) Выделяются области радиоволн:
ДВ длинные волны — более 10 3 м,
СВ средние — от 10 3 до 100 м,
КВ короткие — от 100 м до 10 м,
УКВ ультракороткие — от 10 м до 1 мм;
3 Инфракрасное излучении (ИК) 10 –3 -10 –6 м. Область ультракоротких радиоволн смыкается с участком инфракрасных лучей. Граница между ними условная и определяется способом их получения: ультракороткие радиоволны получают с помощью генераторов (радиотехнические методы), а инфракрасные лучи излучаются нагретыми телами в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.
4. Видимый свет 770-390 нм Источник излучения – электронные переходы в атомах. Порядок цветов в видимой части спектра, начиная с длинноволновой области КОЖЗГСФ. Излучаются в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.
5. Ультрафиолетовое излучение (УФ) от 400 нм до 1 нм. Ультрафиолетовые лучи получают с помощью тлеющего разряда, обычно в парах ртути. Излучаются в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.
6. Рентгеновские лучи от 1 нм до 0,01 нм. Излучаются в результате атомных переходов с одного внутреннего энергетического уровня на другой.
7. За рентгеновскими лучами идет область гамма-лучей (γ) с длинами волн менее 0,1 нм. Излучаются при ядерных реакциях .
Область рентгеновских и гамма-лучей частично перекрывается, и различать эти волны можно не по свойствам, а по методу получения: рентгеновские лучи возникают в специальных трубках, а гамма-лучи испускаются при радиоактивном распаде ядер некоторых элементов.
По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению веществом. Коэффициент отражения веществом электромагнитных волн также зависит от длины волны.
Электромагнитные волны отражаются и преломляются согласно законам отражения и преломления.
Для электромагнитных волн можно наблюдать волновые явления — интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии.
Оптика – раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникновением, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн.
В геометрической оптике рассматриваются законы распространения свет в прозрачных средах на основе представления о свете как о совокупности световых лучей.
Световой луч – геометрическое (не физическое!) понятие – линия, вдоль которой распространяется световая волна.
Волновая оптика – учение о волновых свойствах световых волн.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Излучение и приём радиоволн
Излучение радиоволн — процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн (См. Антенна).
Излучение радиоволн. Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны λ, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А (рис. 1), существует другой участок В, удалённый от А на расстояние, меньшее, чем λ/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В, ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает Колебательный контур, содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем λ/2.
Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с λ/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с λ 2 . Иными словами, эта энергия связана с поляризацией приходящей волны. Из сказанного выше следует, что в случае излучающего и принимающего диполей для наилучших условий приёма необходимо, чтобы оба диполя лежали в одной плоскости и чтобы приёмный диполь был перпендикулярен направлению распространения волны. При этом приёмный диполь извлекает из приходящей волны столько энергии, сколько несёт с собой эта волна, проходя через сечение в форме квадрата со стороной равной
Шумы антенны. Приёмная антенна всегда находится в таких условиях, когда на неё, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Воздух и поверхность Земли вблизи антенны, поглощая энергию, в соответствии с Рэлея — Джинса законом излучения (См. Рэлея — Джинса закон излучения) создают электромагнитное излучение. Шумы возникают и за счёт джоулевых потерь в проводниках и диэлектриках подводящих устройств.
Все шумы внешнего происхождения описываются так называемой шумовой, или антенной, температурой TA. Мощность Рш внешних шумов на входе антенны в полосе частот Δν приёмника равна:
Рш =k TA Δν
(k — Больцмана постоянная). На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140—250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50—80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15—20 К.
О конкретных типах антенн, их характеристиках и применении см. в ст. Антенна.
Лит.: Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. — Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1950.
Под редакцией Л. Д. Бахража.
Рис. 1. Виток катушки индуктивности.
Рис. 2. Электрический диполь.
Рис. 3. Структура электрического Е и магнитного H полей вблизи диполя: пунктир — силовые линии электрического поля; тонкие линии — силовые линии магнитного поля; О — точка наблюдения.
Рис. 4. Мгновенные картины электрических силовых линий вблизи диполя для промежутков времени, отстоящих друг от друга на 1 /8 периода Т колебаний тока.
Рис. 5. Пространственная диаграмма направленности электрического диполя.
Рис. 6. Несимметричный вибратор; Г — генератор электрических колебаний.
Рис. 7. Сопоставление электрического диполя (а), магнитного (6) и щелевого (в, г) излучателей; 1 — проводник с током; 2 — стержень из материала с высокой магнитной проницаемостью; 3 — металлический экран, в котором прорезана щель; 4 — проводники, идущие от генератора высокочастотных электрических колебаний; 5 — силовые линии электрического поля; 6 — силовые линии магнитного поля.
Рис. 8. Сечение диаграммы направленности антенны плоскостью.
Рис. 9. Принцип действия антенны, излучающей вдоль оси системы диполей; S — путь, пройденный волной, на котором отставание фазы компенсируется опережением фазы излучающего тока.
Рис. 10. Cxeмa рупорного излучателя. Стрелками показаны силовые линии электрического поля; точки — силовые линии магнитного поля, перпендикулярные плоскости рисунка, выходящие из его плоскости (крестики — уходящие за плоскость).
Рис. 11. Схема зеркальной антенны: 1 — параболический отражатель; 2 — волновод, соединяющий двухщелевой излучатель 3 с генератором; 4 — образуемый излучателем сферический фронт волны; 5 — плоский фронт волны после отражения от зеркала.
Рис. 12 к ст. Излучение и приём радиоволн.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
- Излучение
- Излучение равновесное