Что из себя представляют радиоволны. Что такое радиоволны? Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Электромагнитная волна – синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ . Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в длине волны. Электромагнитные волны, это по своей сути - направленный поток фотонов, которые способны переносить энергию (информацию) в пространстве со скоростью света. Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну.

Общие свойства радиоволн:

1) Дифракция - явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны.

2) Рефракция - явление искривления или преломления волн при распространении их в неоднородной среде.

3) Интерференция - явление взаимодействия (сложения) волн.

4) Отражение от токопроводящих поверхностей.

5) Поглощение средой при распространении.
Дальность распространения электромагнитной волны зависит от ее частоты и мощности излучения. Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек . В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света): f=c/ λ где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные "СДВ" – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 - 10 км;
Длинные "ДВ" – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 - 1 км;
Средние "СВ" – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 - 100 метров;
Короткие "КВ" – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 - 10 метров;
Ультракороткие "УКВ" , включающие:
метровые "МВ" – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 - 1 метра;
дециметровые "ДМВ" – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 - 1 дм;
сантиметровые "СМВ" – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 - 1 см;
миллиметровые "ММВ" – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 - 1 мм; субмиллиметровые"СММВ" – частотой300 – 6000 ГГц с длиной волны 1– 0,05мм;
Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами "СВЧ".

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).
Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее радиоволна распространяется.
Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.
Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.
Короткие волны распространяются "скачками", периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности, огибая земной шар.
Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна и они уходят в космическое пространство.
Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию - amplitude modulation , и обозначаются как - "АМ" . Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит - frequency modulation , и обозначаются как - "FМ" .

Ионосфера и ее свойства.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы - ионосфера - состоит из нескольких слоев.

На высоте 60...80 км находится слой D, существующий только днем. Следующий слой Е располагается на высоте 90... 130 км. Еще выше находится слой F, имеющий ночью высоту 250...350 км, а днем разделяющийся на два слоя: F 1 - на высоте 180...220 км и F 2 - на высоте 220...500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизированных слоев и тем ниже они располагаются. Днем проводимость и толщина их больше, а высота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоев больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизирующих излучений. В это время проводимость и толщина ионизированных слоев достигают максимума, и они располагаются ниже.

Системы внутренней и внешней связи.

На приборной доске пилотов между индикаторами PFD и MFD установлена цифровая аудиопанель Garmin GMA 1347. Она является неотъемлемой частью ком­плекса Garmin G 1000, связана с интегрированными блоками бортового радиоэлектронного оборудования GIA 63 по протоколу обмена цифровыми данными RS-232 и предназначен для:

Внутренней связи (Intercom) членов экипажа и пассажиров через авиагарнитуры с автоматической коммутацией «приём/передача», ручной регулировкой громкости и шумо­подавления;

Внешней симплексной, беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи через две ОВЧ-радиостанции СОМ 1 и/или СОМ 2 и авиагарнитуры пилотов;

Повторного воспроизведения записываемой звуковой информации с выходов радио­станций СОМ 1или СОМ 2;

Для прослушивания опознавательных сигналов одного из наземных радиомаяков VOR, DME, NDB (приводных радиостанций) или курсового радиомаяка LOC системы по­садки ILS по выбору пилотов;

Прослушивания сигналов маркерных радиомаяков систем посадки или маршрутных маркерных радиомаяков (практически не используются) без выбора пилотов. Для большинства российских аэродромов пролёт дальнего маяка сопровождается звучанием прерывистого тона частотой 3000 Гц в виде серии двух тире в секунду, а пролёт ближнего - в виде серии шести точек в секунду;

Трансляции звуковых сигналов выбранных средств через кабинный громкоговори­тель с его приглушением на время включения микрофонов при ведении радиообмена;

Ручного включения режима совмещённой индикации пилотажной и другой важной информации на исправном дисплее в случае отказа одного из индикаторов PFD или MFD.

Кабинный громкоговоритель, а также микрофоны и головные телефоны авиагарнитур пилотов и двух пассажиров подключаются к аудиопанели. Громкоговоритель расположен на потолке кабины над пассажирскими креслами. Гнезда для подключения разъёмов четырёх авиагарнитур расположены на задней части центрального пульта между креслами пилотов.

Для подключения микрофонов авиагарнитур обоих пилотов к передатчикам радиостан­ций при ведении радиообмена, а также при оповещении пассажиров на ручках управления пилотов расположены кнопки РТТ (Push-To-Talk - аналог кнопки «Радио»).

На лицевой части аудиопанели расположены следующие органы управления:

- СОМ 1 MIC - клавиша для выбора радиостанции СОМ 1, через которую можно вести приём и передачу речевой информации от микрофона авиагарнитуры при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов;

- СОМ 2 MIC - клавиша для выбора радиостанции СОМ 2, через которую можно вести приём и передачу речевой информации от микрофона авиагарнитуры при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов;

- СОМ 3 MIC - клавиша не задействована;

- СОМ 1 - клавиша для выбора радиостанции СОМ 1 только для прослушивания принимаемых через неё сообщений;

COM 2 - клавиша для выбора радиостанции СОМ 2 только для прослушивания при­нимаемых через неё сообщений;

- СОМ 3 - клавиша не задействована;

- СОМ 1/2 - клавиша, после нажатия которой 1-й и 2-й пило­ты могут одновременно и независимо вести радиообмен, причём 1 - й пилот через радиостанцию СОМ 1, а 2-й - через СОМ 2. Кроме того, 1 -й пилот может прослушивать также опознавательные сигна­лы выбранных радиомаяков, тогда как 2-й пилот - только речевые сообщения, принятые радиостанцией СОМ 2;

TEL - клавиша не задействована;

РА - клавиша для обращения к пассажирам при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов. Если при этом нажата клавиша СОМ 1/2, то только 2-й пилот может обра­щаться к пассажирам через кабинный громкоговоритель;

SPKR - клавиша для подключения кабинного громкого­ворителя. Через него транслируются сигналы выбранных радио­средств, а также сигналы, которые выдаются независимо от выбо­ра экипажа. При включении микрофонов на передачу кнопкой РТТ звук громкоговорителя приглушается;

MKR/MUTE - клавиша, позволяющая временно отключить прослушивание сигналов пролетаемого маркерного маяка в тех случаях, когда, например, они мешают приёму информации от авиадиспетчера. При этом пилоты наблюдают сигнал маркерного маяка на дисплее PFD. Кроме того, клавиша позволяет прерывать прослушивание записанных речевых сигналов диспетчера;

AUX - клавиша не задействована. Она может быть ис­пользована при установке на самолёте дополнительных (Auxiliary) навигационных средств;

DME, NAV 1, NAV 2, ADF - клавиши, которые при нажатии позволяют выбирать соответствующие радиомаяки для прослу­шивания с целью их опознавания или приёма сообщений, транслируемых через них, (напри­мер, аварийных передач от диспетчера через дальний приводной радиомаяк);

MAN SQ - клавиша, которая при её нажатии переключает ручки PILOT-0-PASS из режима регулировки громкости прослушивания в режим ручной (Manually) регулировки по­давителя шума (Squelch);

- PLAY - клавиша для повторного воспроизведения записанных в цифровой форме звуковых сообщений, например, авиадиспетчера в тех случаях, когда они не были восприняты экипажем с первого раза;

- PILOT и COPLT - клавиши, используемые для коммутации внутрисамолётной связи. В зависимости от сочетания включения этих клавиш возможны четыре режима внутрисамолётной связи:

Включена только клавиша PILOT - 1-й пилот изолирован и может прослушивать только выбранные радиосредства, 2-й пилот и пассажиры могут общаться между собой.

Включена только клавиша COPLT - 2-й пилот изолирован, 1-й пилот и пассажиры могут прослушивать выбранные радиосредства и общаться между собой.

Обе клавиши PILOT и COPLT включены - 1-й и 2-й пилоты изолированы от пасса, жиров, могут общаться между собой и прослушивать выбранные радиосредства. Пассажиры могут общаться только между собой.

Обе клавиши PILOT и COPLT выключены - и пассажиры, и пилоты могут общаться и прослушивать выбранные радиосредства;

- PILOT-0-PASS - сдвоенные ручки для регулировки громкости прослушивания 1-м пи­лотом (внутренняя) и 2-м пилотом и пассажирами (наружная). При этом слева и снизу от ручек подсвечивается надпись VOL. При включенной клавише MAN SQ - эти ручки соответственно позволяют регулировать также уровень подавителя шума. При этом справа и снизу от ручек подсвечивается надпись SQ. Переключение между режимами VOL и SQ в этом случае произ­водится последовательным нажатием внутренней малой ручки-кнопки;

DISPLAY BACKUP - кнопка для переключения индикации дисплеев PFD и MFD в со­вмещённый режим при отказе одного из них. Кнопка должна быть нажата и при автоматиче­ском переходе в режим совмещённой индикации при мигании неисправного индикатора.

При нажатии клавиш аудиопанели и включении соответствующего режима начинает светиться сигнализатор в виде белого треугольника над клавишей (см. рис. 2.15).

Аудиопанель получает электропитание постоянным током напряжением 28 В от ши­ны AVIONIC BUS бортового радиоэлектронного оборудования (авионики) с защитой через автомат защиты AUDIO номиналом 5 А.

При включении аудиопанели, а также в процессе работы производится её самотестиро­вание. При обнаружении отказов появляется соответствующее сообщение в окне уведом­ляющих сообщений «ALERTS » на дисплее PFD. Перечень сообщений, касающихся аудиопа­нели и связанного с ней оборудования, приведён в табл.1. При появлении таких сообще­ний требуется техническое обслуживание оборудования.

Таблица1.

Вылет с отказавшей аудиопанелью запрещён. Под приборной доской слева располо­жен разъём для подключения дополнительного микрофона. Вместе с громкоговорителем он может быть использован левым пилотом вместо авиагарнитуры. Радиостанции СОМ 1 и СОМ 2 являются неотъемлемой частью интегрированного ком­плекса Garmin G 1000, встроены в блоки БРЭО G1A 63 и предназначены для:

Симплексной бесподстроечной командной радиосвязи в ОВЧ-диапазоне радиоволн. Двухсторонняя авиационная воздушная связь ведётся с авиадиспетчерами, с экипажами дру­гих ВС или диспетчерами производственных служб авиапредприятий;

Прослушивания сообщений вспомогательных аэродромных служб, например ATIS, служб метеообеспечения VOLMET, SIGMET и т. п.;

Радиосвязи на международной аварийной частоте 121,500 МГц, например, при про­ведении поисково-спасательных работ.

В состав обеих радиостанций кроме приёмопередающей аппаратуры, интегрированной в блоки GIA 63, входят переключатели «приём-передача» - кнопки РТТ, установленные на ручках управления пилотов и штыревые антенны (антенна радиостанции СОМ 2 имеет L- образную форму). Размещение антенн радиостанций и их внешний вид показано на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид антенн ОВЧ радиостанций:

а - антенна радиостанции СОМ 1; б - антенна радиостанции СОМ 2

Радиостанции СОМ 1 и СОМ 2 идентичны и характеризуются следующими основными эксплуатационно-техническими показателями:

Диапазон рабочих частот, МГц 118,000-136,975

Шаг сетки частот, кГц 25 или 8,33 (по выбору экипажа)

Вид модуляции амплитудная (AM)

Средняя мощность передатчика, Вт 16

Напряжение электропитания, В 28 постоянного тока

Дальность действия, км 120 -130 при высоте полёта 1000 м

Чувствительность приёмника, мкВ 2,5

Выбор шага сетки частот (CHANNEL SPACING) осуществляется экипажем на четв£ той странице «AUX-SYSTEM SETUP» группы «AUX» на дисплее MFD в разделе «СОM CONFIG» с помощью ручек FMS .

Радиостанция СОМ1 получает электропитание постоянным током напряжением 28 В от левой основной шины LH MAIN BUS с защитой через автомат защиты СОМ 1 номиналом 5А, а радиостанция СОМ 2 - от шины БРЭО AVIONIC BUS через автомат защиты СОМ г номиналом также 5 А.

Радиостанции не имеют собственных пультов управления. Все органы управления ра­диостанциями и индикаторы настройки сосредоточены в правой верхней части каждого из дисплеев - PFD и MFD (рис. 2.). Действие данных органов управления и индикаторов на­стройки одинаково, независимо от того, на каком дисплее они используются экипажем.

Рис. 2 Правая верхняя часть дисплеев PFD и MFD

Настройка радиостанций может производиться либо вручную, либо из аэронавигаци­онной базы данных. Информация о частотах наземных радиостанций для УВД, действующих в тех или иных зонах воздушного пространства, берётся из обновляемой базы аэронавигаци­онных данных. Например, на дисплее MFD с помощью ручек FMS в группе страниц «WPT» выбирается первая страница «WPT-AIRPORT INFORMATION». Затем в разделе «FRE­QUENCIES» выбирается частота нужного сектора УВД. Выбор подтверждается нажатием клавиши ENT. После этого значение частоты появляется в окне подготовленных частот на­страиваемой радиостанции. Аналогично ускоренная настройка радиостанций в аварийных ситуациях возможна из базы данных ближайших аэродромов (NEAREST AIRPORTS).

Ручная настройка радиостанций осуществляется сдвоенными ручками СОМ, причём малой внутренней ручкой устанавливаются значения частоты в кГц, а большой наружной ручкой - в МГц. На то, какая радиостанция настраивается, указывает голубая рамка, цвет цифр и символ « » между активной и подготавливаемой частотами. Переключение между радиостанциями СОМ 1 и СОМ 2 для их настройки и управления производится нажатием малой внутренней ручки-кнопки СОМ (обратно - повторным нажатием). Радиостанции, вы­бранные нажатием клавиш COM MIC и/или СОМ на аудиопанели для ведения радиосвязи и/или прослушивания, представлены значением их рабочих частот в зелёном цвете (СОМ 1 на рис. 2.17). Переключение между рабочей частотой и подготовленной частотой, обозна­ченной голубым цветом и рамкой, производится нажатием клавиши « » (Transfer). Длитель­ное (около 2 с) нажатие на эту клавишу переводит рабочую частоту в область, обозначенную голубой рамкой, т. е. в подготовленную, а радиостанция перестраивается на международную аварийную частоту 121,500 МГц.

Уровень принимаемого сигнала (громкость) устанавливается ручкой VOL для той ра­диостанции, которая выбрана малой внутренней ручкой-кнопкой СОМ для настройки и управления. При вращении ручки VOL уровень сигнала изменяется от 0 до 100%. Изме­няемое значение уровня в процентах со словом «VOLUME» индицируется вместо значений подготовленной частоты без рамки. Индикация продолжается в течение трёх секунд после завершения вращения ручки VOL. Эта ручка является также кнопкой, нажатием на которую включается автоматическое подавление шума (Squelch) в приёмнике выбранной для на­стройки радиостанции. Выключение подавителя шума производится повторным нажатием.

Во время приёма сообщений на рабочей частоте выбранной радиостанции рядом с ото­бражаемым значением частоты появляются буквы RX, а во время передачи - буквы ТХ.

Контроль работоспособности радиостанций осуществляется экипажем путём самопрослушивания в телефонах авиагарнитуры при выходе на внешнюю радиосвязь. Отказ ра­диостанций обнаруживается также отсутствием прослушивания сообщений при работе на приём.

Кроме того, при включении и в процессе работы радиостанций производится их само­тестирование. При обнаружении отказов вместо цифровых значений частот отказавшей ра­диостанции появляется перекрестие красного цвета. Кроме того, появляется соответствую­щее сообщение в окне уведомляющих сообщений «ALERTS» на дисплее PFD.

Перечень сообщений, касающихся радиостанций СОМ 1, СОМ 2 и связанного с ними оборудования, приведён в табл.2. При появлении таких сообщений требуется техническое обслуживание оборудования. Таблица 2.

При отказе аудиопанели или блоков цифровой обработки звуковых сигналов радистанция СОМ 1 работает без цифровой обработки сигналов и подключается непосредственной к авиагарнитуре 1-го пилота.

Перед полётом, при осмотре самолёта необходимо проверить целостность антенн, от. сутствие на них льда и загрязнений. Вылет с отказавшей радиостанцией запрещён. Отказ обеих радиостанций в полёте соответствует аварийной ситуации «Отказ радиосвязи». В этом случае необходимо установить код ответчика УВД (Squawk) равным 7600 для информирова­ния авиадиспетчера об отказе радиосвязи.

длиной волны.

f (частота) = с (скорость света) / λ (длина волны)

Радиочастоты

Распространение УКВ волн

Классификация радиоволн по диапазонам.

Радиоволны харак-тся длиной волны и частотой колебаний, использ. для их получения. В зависимости от длины волн измен. особен. распростр. и использ. радиоволн, поэтому весь спектр радиоволн подразд. на 9 отдель. диапаз., названия кот. даны по длинам волн.

ДВ В нач. своего развития РС велась почти исключ. на таких волнах. Но для связи на большие расс-ия при, помощи этих волн нужны передатчики огромной мощности. Кроме того, в диапаз. ДВ невозможна одноврем. работа большого числа радиостанций (без помех 10 станций). Единст. достоинством ДВ явл. то, что дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меняется мало. Такого постоянства у др. радиоволн нет. Сейчас на ДВ раб. небольшое число радиостанций, передающих сигналы точного времени и метеорологические сводки.

СВ. На этих волнах можно разместить без взаим. помех 150 РВ-ных станций. Приходится одну и ту же волну давать несколь. станциям, что приводит к взаим. помехам. Только в случае если станции, работающие на одинак. волнах, расположены на значит. расстоянии одна от другой, то взаим. помехи сказыв. слабо или их вовсе нет. В диапаз. СВ также раб. телеграф. радиостанции: морские, авиационные, военные.

КВ. На КВ раб. ведомствен. телеграф. и телефон. радиостанции. В диапаз. КВ можно разместить без взаим. помех 3000 РВ-ных станций, а радиотелеграф. станций гораздо больше, т.к. для них треб. более узкая полоса частот. КВ дают огромную дальность действия по сравнению с др. волнами при относит. небольшой мощности передатчиков. Недостатком КВ явл. сильная зависим. их распростр. от времени суток и времени года. В наст. время на КВ раб. множество радиостанций всех стран мира, в частности, РВ-ные и радиолюбительские станции.

УКВ волны занимают диапазоны метр., дециметр., сантиметр., миллиметр. и децимиллиметр. волн. УКВ, назыв. иначе УВЧ или СВЧ, прим. для связи наземных радиостанций при сравнит. небольших расстояниях. В УКВ диапаз. можно разместить очень много радиостанций без взаим. помех. УКВ можно излучать узким пучком, в определ. направлении, подобно лучам прожектора, что позволило успешно применить их в радиолокации. В наст. время УКВ широко использ. для связи, радиолокации, радионавигации и в др. обл. науки и техники.

В диапаз. №4 с примен. АМ можно организ. только 3-х канальную ТЛФ радиолинию. В этом диапаз. нельзя организ. высококачествен. передачу даже 1-го канала вещания. Поэтому для этих целей использ. диапаз. волн с более высок. №. Для ТВ вещания №8, для РВ №5 и выше и т.д., а для организ. многоканаль. радиолинии обычно использ. диапаз. УКВ (8 диапаз.и выше). Поскольку РРЛ явл. многоканаль. радиолинией, то и несущие частоты выбирают в диапаз. УКВ.

Принципы радиосвязи.

Высокочастот. эл.маг. волна хорошо распростр. в пространстве, а низкочастот. сигналы голоса и музыки нет. Таким образом в радио сигналы голоса и музыки модулируют высокочастот. несущую в несколько сотен кГц, и этот модулирован. высокочастот. сигнал затем передается.

Модуляция это процесс, при кот. высокочастот. волна использ. для переноса низкочастот. волны.

На приемнике эта модулирован. высокочастот. волна демодулируется для получ. изначальных сигналов голоса и музыки. Сущест. 3 параметра несущей, которые можно изменять: амплитуда, частота и фаза. И, соответственно модуляции: амплитудная, фазовая, частотная.

На 1 граф. представл. измен. давления воздуха Р 1 около микрофона. На 2 граф. показыв. соответствующее изменение тока I 1 в микрофоне. На 3 граф. показано измен. радиочастоты I 2 , который затем создает эл.маг. волны. Колебания радиочастоты в системах РС служат переносчиком сигнала и назыв. несущими колебаниями. Управление несущими колебаниями по закону передаваемого электрич. сигнала назыв. модуляцией. Получаемые при помощи модуляции радиочастот. колебания, несущие в себе сообщение назыв. модулирован. колебаниями (граф. 3). Модулирован. радиочастот. колебания назыв. радиосигналом. Радиосигнал преобразуется в эл.маг. волны, кот. излучаются передатчиком посредством передающей антенны. Радиоволны распростр. в пространстве и достигают пункта приема. Радиоволны воздейст. на прием. антенну, в результ. чего в радиоприемнике возникает ток радиочастоты I 3 (граф. 4), подобный передаваемым колебаниям. Поскольку в место приема попадает очень малая часть излученной передатчиком энергии, ток I 3 в сотни млн. раз слабее токов I 2 и непосредственно использ. не может. Он должен быть усилен и подвергнут преобразованию. На граф. 5 показана сила тока I 4 . Этот ток пропускается ч/з телефон или громкоговоритель, в результ. чего он вызывает давление воздуха Р 2 . Получаются звук. колебания и воспроизвод. переданное сообщение. Обратная модуляция преобразования модулирован. колебаний в исходный электрич. сигнал назыв. детектирование (демодуляция).

Фидеры и волноводы.

Электрич. цепь и вспомогат. устройства, с помощью которых энергия радиочаст. канала подводится от радиоПРД к антенне или от антенны к радиоПР, назыв. фи­дером .

Фидеры – это линии питания, которые передают энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к ПР (в режиме приёма). Основ. требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом ПРД-ка (для max-ой отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа ПР-ка с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки – условие max-ой отдачи мощности в нагрузку ПР-ка. В зависим. от диапаз. радиоволн примен. различные типы фидеров: двух или много-проводные воздушные фидеры; волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений; линии с поверхностной волной и др. Конструкция фидера зависит от диапазона передаваемых по нему частот. При передаче эл.маг. энергии по линии стре­мятся уменьш. излучение самой линии. Для этого провода линии располаг. //-но и по возмож­. ближе друг к другу. При этом поля 2-х одинак. по значе­нию, но противоположно направленных токов взаимно компенсируют­ся и излучения энергии в окружающее пространство не происходит. При создании антенны ставится противоположная задача: получение возможно большего излучения. Для этого использ. те же длинные линии, устранив одну из причин, лишающих фидер излу­чающих св-тв. Можно, например, раздвинуть провода линии на не­который ے, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана раб. V-образных и ромбических ан­тенн, излучающие провода кот. располож. под острым ے один к другому, и симметричного вибратора, полу­чающегося при разведении проводов на 180°. Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устранить, исключив его из с-мы. Это приводит к по­луч. несимметрич. виб­ратора. Все антен­ны, использ. этот принцип работы, относятся к классу не­симметрич. антенн. К ним также принадл. Г-образные и Т-образные антенны. Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтека­ются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Для этого необходимо создать фазовый сдвиг в половину дли­ны волны, например за счет неизлучающего шлейфа. На таком принципе основаны синфазные антенны. Фидер будет излучать, если расс-ия м/у проводами по неко­торым направлениям приобретают значит. разность хода. Можно так подобрать расс-ие м/у проводами, что по некоторым направлениям произойдет сложение волн от обоих прово­дов. Это использ. в противофазных ан­теннах.

Волновод – искусствен. или естествен. канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области. Типы волноводов:

1) Экранированные. Различают экранир. волноводы с хорошо отражающими стенками, к кот. относят волноводы металлические, направляющие эл.маг. волны, а также коаксиальные и многожильные экранирован. кабели, хотя последние обычно относят к линиям передачи (длинным линиям). К экранир. волноводам относят также волноводы акустические с достаточно жёсткими стенками.

2) Неэкранированные. В открытых (неэкранир.) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутрен. отражения от границ раздела 2-х сред (в волноводах диэлектрических и простейших световодах) либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звук. канал). К открытым волноводам принадл. и с-мы с поверхност. волнами, направляемыми границами раздела сред.

Основ. св-во волновода – существ. в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора нормальных волн (мод), распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями. Почти все моды облад. дисперсией, т.е. их фазовые скорости зависят от частоты и отлич. от групповых скоростей. В экранир. волноводе фазовые скорости обычно превыш. скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны назыв. быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Эти волны назыв. утекающими. В открытых волноводах распростр. медленные волны, амплитуды кот. быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Звуковое радиовещание (ЗВ). Возникновение и развитие ЗВ в РФ.

С-ма ЗВ представл. собой организа­ционно-технич. комплекс, обеспечивающий формирование и пе­редачу звук. информации общего назнач. широкому кругу тер­риториально рассредоточенных абонентов (слушателей).

Первые опыты по передаче с помощью радио сигналов 3В проводились еще в начале XX столетия. С 1924г. началось регулярное AM звукового вещания и интенсивное строительство РВ станций AM вещания. Первые РВ станции раб. в диапаз. ДВ и использ. амплитудную модуляцию (АМ). Узкая полоса частот и взаимные помехи м/у станциями, использующими один и тот же частотный канал, не позвол. обеспеч.ь прием вещательных программ с высоким качеством. Устранить помехи можно было путем повыш. стабильности частоты РВ станций, сниж. уровней внеполосных излучений и улучш. избирательности ПР-ов. Для повыш. эффективности использования радиочастот. спектра в сетях AM вещания в начале 30-х гг. начал. исследования вопросов создания синхронных сетей 3В, в кот. все передающие станции сети, обслуживающие определ. терр-ию, работают на одной частоте с весьма высокой стабильностью и передают одну и ту же программу. В СССР синхрон. сети в диапаз. средних частот (СЧ) начали создав. в 1950г. Использование синхрон. сетей позволяло примен. в них маломощные ПРД-ки и исключить в темное время суток нелинейные и частотные искажения в зонах интерференции земного и пространст. луча. Заметно повышалась также и надежность вещания. В 1946г. начало развиваться частотно-модулированное (ЧМ) радиовещание в СССР, т.к. в сетях ЧМ вещания обеспечив. более высокое качество приема вещатель. сигналов и более просто решаются вопросы обеспечения их эл.маг. совместимости. В с-мах ЧМ вещания расширялась полоса частот передаваемых вещатель. сигналов. С 40-х гг. в диапаз. МВ (очень высокие частоты – ОВЧ) начинается создание сетей ЧМ вещания. Одним из путей повыш. качества РВ было создание стереофонич. с-м, в кот. достигается большая естественность звучания музыкальных программ. В стереос-мах для передачи по каналу связи формируются сигналы в двух разнесенных в пространстве микрофонах. Необходимая полоса частот канала связи для этих с-м шире, чем для AM вещания и поэтому организация стереовещания началась в сетях ОВЧ-ЧМ вещания. В 1955г. началась опытная передача стереофонич. программ по радио. В 1963г. была внедрена с-ма звукового стереофонич. вещания с полярной модуляцией. В конце 60-х гг. начинается внедрение цифровых методов передачи с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) сигналов вещания по спутниковым трактам распределения программ 3В. В 70-х гг. началось внедрение синхронного вещания и азработка квадрафонических аналоговых с-м вещания. В 80-х гг. началась разработка и экспериментальные исследования с-мы наземного цифрового вещания. С конца XX в. совершенствование с-м вещания идет по пути разработки цифровых с-м, в которых может быть обеспечено весьма высокое качество воспроизведения речи и музыки. Цифровые РВ с-мы позволяют создавать сети вещания с высокой эффективностью использования радиочастотного спектра. В первом десятилетии XXI в. в сетях вещания во многих странах осуществлен переход от аналоговых с-м к цифровым.

Структурные элементы с-мы ПВ. Узел ПВ (УПВ), радиотрансляционный узел (РТУ). Преимущества с-мы ПВ.

ПВ – с-ма, сост.из ком­плекса аппаратуры и сооружений, с помощью кот.сигналы ЗВ распред.по проводным сетям и поступ.к слушателям. Основ.структур.элемент с-мы ПВ – УПВ или РТУ. УПВ содер­.комплекс оборуд-я для приема, преобразов., усиления и передачи по проводам программ ЗВ. Оборуд-е узла сост.из станцион.оборуд-я, ли­нейных сооруж. и абонент.устройств (АУ ).

Станц.оборуд-е обеспеч.получ.мощности, необход.для норм.работы всех АУ. Осн.элементами станц.оборуд-я узлов 1-програм.вещания явл.усилители звук.частоты, а узлов 3-хпрограм.вещания – еще и передатчики. К станц. оборуд-ю относ.аппаратура регулирования передаваемых сигналов, контроля, управления, коммутации и элек­тропитания.

Совокупность линейных сооруж.образ.сеть ПВ или РТС. Она сост.из с-мы 2-хпроводных линий и вспомогат.устр-в, с помощью кот.энергия сигналов ЗВ перед.от усилите­лей и передатчиков к АУ.

АУ явл.абонент.громкого­в-ли для 1-програм.сетей и 3-хпрограм.громкогов-ли для сетей 3-хпрограм.вещания. 3-хпрограм.громкогов-ль явл.комбинацией абонент.громкогов-ля с приемником высокочаст.сигналов 2-ой и 3-ей программ.

С-ма ПВ в нашей стране развив.как 1-програм. При разраб. 3-хпрограм.с-мы ПВ прим.организация многопрограм.вещания с частотным раздел.каналов на базе сети 1-програм.ПВ. Одна программа передается сигналами в полосе звук.частот 50-10000Гц. Для передачи 2-х др.программ использ.токи высокой частоты. Многопрограм.ПВ можно организ.в спектре звук.частот или путем переноса спектра в высокочаст.область. В 1-ом случае сигналы программ перед.по многопарной линии в полосе звук.частот, во 2-ом – в многоканаль.с-­ме передачи использ. частотное раздел.каналов. Сущ.с-мы многопрограм. ПВ по телефон.сетям. Также с-му ПВ можно организ.и на базе ТВ-ой распределит.сети. Возможно дальней.развит. сетей ПВ будет основ.на созд.совмещенных с-м, в кот.будут использ.кабельные коммуникации ГТС и проводного ТВ.

Преимущества с-мы ПВ:

1)Отсут.по­мех, ухудшающих качество радиоприема в диапаз.ДВ, СВ, KB и MB. Это помехи атмосфер.и промыш.происхожд., помехи от др. станций, работающих в совмещенном частот.канале. В диапаз.МВ существенны помехи, вызван.отра­ж. радиоволн от многоэтажных зданий со стальным или желе­зобетонным каркасом.

2)Экономические показатели ПВ , чем РВ. Передача энергии сигналов с помощью линий ПВ уменьш.потери энергии. Расход материала на изготовл.АУ ПВ меньше расхода материалов на изготов­л.радиоприемника. Удель.капиталь.затра­ты на строительство усилителя ПВ, меньше удель.капиталь.затрат на строительство передающих радиовещат.центров, а удель.расход электроэнергии меньше аналогичного показателя для индивидуаль. радиоприемника, т.к. КПД оконечных усили­телей ПВ много больше КПД радиовещат.передатчиков.

3)АУ ПВ проще в обращении, надежнее и дешевле радиоприемника. Расходы абонента ПВ на электропитание АУ незначит.или вообще отсут.

4)Качество воспроизведения вещатель.программы абонент­.устройством ПВ выше, чем качество воспроиз­ведения массовым радиоприемником.

5)Кол-во вещатель.программ, передаваемых в пределах заданной терр-ии, ограничено из-за недостатка радиоканалов. Использ.с-м ПВ позвол.увелич. число программ.

6)С помощью с-мы ПВ легко организовать местное вещание в пределах одного нас.пункта.

7)С-ма ПВ явл.хорошим средством оповещ. населения о стихийных бедствиях, т.к. она всегда готова к действию.

Преимущества ПВ привели к тому, что оно продолжает успешно раз­виваться.

Диапазоны радиоволн. Длина волны. Радиочастоты. Особенности распространения радиоволн различной длины.

Радиоволны харак-тся длиной волны и частотой колебаний, используемых для их получения. Растоян., на кот. распростр. волна за время одного колебания тока в антенне, назыв. длиной волны.

λ (длина волны) = с (скорость света 3*10 8) / f (частота)

Длина волны зависит от частоты колебаний (или периода колебаний Т) тока в антенне. Чем больше частота тока в антенне, тем меньше длина излучаемых радиоволн, и наоборот. Зная длину волны, нетрудно вычислить частоту тока в антенне.

f (частота) = с (скорость света) / λ (длина волны)

В зависим. от длины радиоволн измен. особен. их распростр. и использ., поэтому весь спектр радиоволн разбивают на отдель. диапаз., имеющие неодинаковые св-ва.

Радиочастоты – частоты или полосы частот в диапазоне 3кГц–3000ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответ. частоте перемен. тока электрич. сигналов для вырабатывания и обнаруж. радиоволн. Ра­диоспектр подразд. на 9 диапаз.

Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверх. радиоволны) и под углом к горизонту (пространст. радиоволны).

Распространение мириаметровых и километровых волн (сверх­длинных и длинных) хорошо огибают поверхности, значительно поглощается земной поверхностью. Недостаток: большой уровень атмосферных помех и невозможность размещения в этих диапазонах большого числа каналов связи.

Распространение гектометровых (средних) волн Ограниченная дальность распространения, увеличивается в ночное время. Недостаток: большой уровень атмосферных и промышленных помех.

Распространение декаметровых (коротких) волн Сильно погращаются поверхностью земли. Является экономичным способом дельней связи, позволяют осущетвлять связь на большие растояния. Недостаток: наличие замираний и образование зоны молчания.

Распространение УКВ волн Не отражаются от ионосферы, явления дифракции практически не наблюдается. В нижних слоях атмосферы происходит сильное затухание УКВ (затух. с ↓ длины волны). Распростаняются значительно дельше прямой видимости

С частоты ухудш. дифракция (огибание) радиоволнами препятствий. Хорошо огиб. землю СДВ и ДВ. Дифракция на КВ не играет заметной роли, т.к. эти волны поглощ. раньше, чем станет ощутимой кривизна земли. УКВ ди­фракция практич. не свойст. и они не могут огибать вы­пуклости земной поверх. СВ отлич. боль­шим уровнем атмосфер. и промыш. помех.

Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары, радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчало нам жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Создание электромагнитных волн опытным путём принадлежит физику Герцу. Для этого Герц использовал высокочастотный искровой разрядник (Вибратор). Произвёл этот опыт Герц в 1888 г. Состоял вибратор из двух стержней, разделённых искровым промежутком. Экспериментировал Герц с волнами частотой 100000000 Гц. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ=λν.Она оказалась приближенно равна скорости света: с=300000 км/с.

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ – частота электромагнитного излучения в МГц.

Самый простой случай - это распространение радиоволны в свободном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т. е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.

Как распространяются радиоволны

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Диапазон

С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн принято делить на ряд меньших диапазонов: сверхдлинные волны, длинные волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые волны, миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл. 1). Деление радиочастот на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи (табл. 2). Все это официальные, четко отграниченные участки спектра.
В то же время термин "диапазон" в зависимости от контекста может применяться для обозначения какого-то произвольного участка радиоволн/радиочастот (например - "любительский диапазон", "диапазон подвижной связи", "диапазон low band", "диапазон 2,4 ГГц" и т.п.)

Табл. 1. - Деление всего диапазона радиоволн на меньшие диапазоны.

Табл. 2.1. - Диапазон радиочастот

Табл. 2.2 . - Диапазон радиоволн

Динамический диапазон
Динамический диапазон радиоприемного устройства - это отношение максимально допустимого уровня принимаемого сигнала (нормируется уровнем нелинейных искажений) к минимально возможному уровню принимаемого сигнала (определяется чувствительностью устройства) выраженное в децибелах. Другими словами - это разность между максимальным и минимальным значениями уровней сигналов, при которых еще не наблюдается искажений. Причиной этих искажений является нелинейность усилительного тракта рассматриваемого устройства. Чем шире ДД, тем более сильные сигналы способно принимать устройство без искажений. Динамический диапазон шире у дорогих приемников, хотя сравнивать их по этому параметру практически невозможно, т.к. он очень редко указывается в характеристиках.

Распределение спектра

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Источники

Радиоизлучение Солнца. Зарегистрировано радиоизлучение Солнца с длиной волны от нескольких миллиметров до 30 м. Особенно сильно излучение в метровом диапазоне; оно рождается в верхних слоях атмосферы Солнца, в его короне, где температура порядка 1 млн. К. Коротковолновое излучение Солнца относительно слабо; оно выходит из хромосферы, расположенной над видимой поверхностью Солнца – фотосферой.

Галактические радиоисточники. Уже первые наблюдения Г.Ребера показали, что радиоизлучение Млечного Пути неоднородно – оно сильнее в направлении центра Галактики. Дальнейшие исследования подтвердили, что основные источники радиоволн относительно компактны; их называют точечными или дискретными. Зарегистрированы уже десятки тысяч таких источников.

Отождествление источников. Звезды – слабые источники радиоволн. Долгое время единственной звездой на «радионебе» было Солнце, и то лишь благодаря его близости. Но в 1970-х годах Р.Хелминг и К. Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории США открыли радиоизлучение от газовых оболочек, сброшенных Новой Дельфина 1967 и Новой Змеи 1970. Затем они обнаружили радиоизлучение красного с

Фоновое излучение. Кроме отождествленных и неотождествленных дискретных источников, наблюдается суммарный фон от миллионов далеких галактик и облаков межзвездного газа нашей Галактики. С повышением чувствительности и разрешающей способности радиотелескопов из этого фона удается выделить все больше дискретных источников.

Радиоизлучение планет. В 1956 К.Мейер из Военно-морской лаборатории США открыл излучение Венеры на волне 3 см. В 1955 Б.Бурке и К.Франклин из института Карнеги в Вашингтоне обнаружили короткие всплески радиоизлучения от Юпитера на волне 13,5 м. Дальнейшие исследования в Австралии показали, что всплески излучения от Юпитера приходят в те моменты, когда определенные зоны его поверхности обращены к Земле. В дециметровом диапазоне кроме теплового излучения наблюдалось и синхротронное, что указывало на наличие у Юпитера мощного магнитного поля, которое позже было действительно обнаружено космическими зондами. верхгиганта Антареса и рентгеновского источника в Скорпионе.

Излучение водорода. Нейтральный атомарный водород – возможно, самый распространенный элемент в межзвездном пространстве. Он способен излучать радиолинию с длиной волны 21 см, которая была предсказана в 1944 нидерландским теоретиком Х. ван де Хюлстом и обнаружена в 1951 Х.Юэном и Э.Парселом из Гарвардского университета (США). Существование узкой линии в радиодиапазоне оказалось очень полезным: измеряя ее доплеровское смещение, можно очень точно определять лучевую скорость наблюдаемого облака газа. При этом приемная аппаратура радиотелескопа сканирует некоторый диапазон длин волн в районе линии 21 см и отмечает пики излучения. Каждый такой пик – это линия излучения водорода, смещенная по частоте из-за движения одного из облаков, попавших в поле зрения антенны телескопа.

Первым кто применил радиоволны для беспроводной связи, был русский физик А. Попов. 7 мая 1895 г. Попов с помощью электромагнитных волн передал на расстояние 250 м сообщение (были переданы слова «Генрих Герц»). Для приёма сообщений Попов использовал способность металлических порошков слипаться под влиянием высокочастотных электрических колебаний и тем самым повышать свою электропроводность. Передатчиком служила заземлённая антенна А. В схеме передатчика В – источник высокого переменного напряжения, питаемый батареей Е. При замыкании ключа К в искровом промежутке образуется искра, представляющая собой колебательный процесс, вследствие чего антенна Передатчик и приёмник. .

А начинает излучать радиоволны. Эти волны, достигая антенны А’ приёмной станции, возбуждают электромагнитные колебания цепи, содержащей заземлённую антенну и когерер Т. Сопротивление когерера резко уменьшается, вследствие чего замыкается цепь батареи Е’, в которой находится электромагнитное реле, притягивающее молоточек F. При этом в точке О замыкается цепь более мощной батареи Е”, действующей на пишущий аппарат LM. В тоже время молоточек D ударяет по когереру Т и размыкает цепь батареи Е’ (для приёма следующего сигнала).

Это радио стало прародителем не только для современного радио, но и для телевизоров, радиотелескопов, мобильных телефонов и для многих других вещей без которых люди не могут представить сегодняшнюю свою жизнь.

Современные радиоприёмники совсем непохожи на своего прародителя, но принцип действия остался тот же, что и в приёмники Попова. Современный приёмник так - же имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые магнитные колебания. Как и в приёмнике Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.

В1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов с помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе. При участии Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.

За границей усовершенствованием подобных приборов занималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через атлантический океан.

Важнейшим этапом развития радиосвязи было создание в 1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний.

Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможной надёжная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим.

Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.

Благодаря радиоволнам познается, и наша вселенная, и открываются элементарные частицы материи. Даже живые существа испускают радиоволны, а животные такие животные, как рыба молот используют их для охоты.

Литература

Гаевой А. И., Калабухов Н. П., Левашова Л. Е., Чепуренко В. Г. «Справочник по физике для поступающих в вузы». Киев, «Наукова Думка», 1986.

И. В. Савельев «Курс общей физики» том 2. Москва, «Наука», 1973.

Михайличенко Ю.П. «Двойное лучепреломление сантиметровых электромагнитных волн. Методические указания». Томск, 1986.

Першинзон Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. «Курс общей физики. Оптика и атомная физика». Москва, Просвещение, 1981.

Физика 11 Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев.

ЛикБез > О Радиосвязи

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны.
Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.
Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

Распределение спектра

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.
Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Пример распределения спектра между различными службами .

Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:

Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.

В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.

Как распространяются радиоволны

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).
Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.
Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.
Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

Распространение длинных и коротких волн .

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.
Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.
Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.

Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн
в зависимости от частоты и времени суток .

В учебниках по физике приведены заумные формулы на тему диапазона радиоволн, которые порой не до конца понятны даже людям со специальным образованием и опытом работы. В статье постараемся разобраться с сутью, не прибегая к сложностям. Первым, кто обнаружил радиоволны, был Никола Тесла. В своем времени, где отсутствовало высокотехнологичное оборудование, Тесла не до конца понимал, что это за явление, которое он впоследствии назвал эфиром. Проводник с переменным электрическим током является началом радиоволны.

Источники радиоволн

К природным источникам радиоволн относятся астрономические объекты и молнии. Искусственным излучателем радиоволн является электрический проводник с движущимся внутри переменным электрическим током. Колебательная энергия высокочастотного генератора распространяется в окружающее пространство посредством радиоантенны. Первым рабочим источником радиоволн был радиопередатчик-радиоприёмник Попова. В этом устройстве функцию выполнял высоковольтный накопитель, подключенный на антенну − вибратор Герца. Созданные искусственным способом радиоволны применяются для стационарной и мобильной радиолокации, радиовещания, радиосвязи, спутников связи, навигационных и компьютерных систем.

Диапазон радиоволн

Применяемые в радиосвязи волны находятся в диапазоне частот 30 кГц − 3000 ГГц. Исходя из длины и частоты волны, особенностей распространения, диапазон радиоволн подразделяется на 10 поддиапазонов:

1. СДВ - сверхдлинные.
2. ДВ - длинные.
3. СВ - средние.
4. КВ - короткие.
5. УКВ - ультракороткие.
6. МВ - метровые.
7. ДМВ - дециметровые.
8. СМВ - сантиметровые.
9. ММВ - миллиметровые.
10. СММВ - субмиллиметровые

Диапазон частот радиоволн

Спектр радиоволн условно поделен на участки. В зависимости от частоты и длины радиоволны подразделяются на 12 поддиапазонов. Диапазон частот радиоволн взаимосвязан с частотой переменного тока сигнала. радиоволн в международном регламенте радиосвязи представлены 12 наименованиями:

При увеличении частоты радиоволны ее длина уменьшается, при уменьшении частоты радиоволны - увеличивается. Распространение в зависимости от своей длины - это важнейшее свойство радиоволны.

Распространение радиоволн 300 МГц − 300 ГГц называют сверхвысокими СВЧ вследствие их довольно высокой частоты. Даже поддиапазоны очень обширны, поэтому они, в свою очередь, поделены на промежутки, в которые входят определенные диапазоны телевизионные и радиовещательные, для морской и космической связи, наземной и авиационной, для радиолокации и радионавигации, для передачи данных медицины и так далее. Несмотря на то что весь диапазон радиоволн разбит на области, обозначенные границы между ними являются условными. Участки следуют друг за другом непрерывно, переходя один в другой, а иногда и перекрываются.

Особенности распространения радиоволны

Распространение радиоволн - это передача энергии переменным электромагнитным полем из одного участка пространства в другой. В вакууме радиоволна распространяются со При воздействии окружающей среды на радиоволны распространение радиоволн может быть затруднено. Это проявляется в искажении сигналов, изменении направления распространения, замедлении фазовой и групповой скоростях.

Каждая из разновидностей волн применяется по-разному. Длинные лучше могут обходить преграды. Это означает, что диапазон радиоволн может распространяться по плоскости земли и воды. Применение длинных волн широко распространено в подводных и морских суднах, что позволяет быть на связи в любой точке местонахождения в море. На в шестьсот метров с частотой пятьсот килогерц настроены приемники всех маяков и спасательные станций.

Распространение радиоволн в различных диапазонах зависит от их частоты. Чем меньше длина и выше частота, тем прямее будет путь волны. Соответственно, чем меньше ее частота и больше длина, тем она более способна огибать преграды. Каждый диапазон длин радиоволн обладает своими особенностями распространения, однако на границе соседних диапазонов резкого изменения отличительных признаков не наблюдается.

Характеристика распространения

Сверхдлинные и длинные волны огибают поверхность планеты, распространяясь поверхностными лучами на тысячи километров.

Средние волны подвержены более сильному поглощению, поэтому способны преодолевать расстояние лишь 500-1500 километров. При уплотнении ионосферы в данном диапазоне возможна передача сигнала пространственным лучом, который обеспечивает связь на несколько тысяч километров.

Короткие волны распространяются лишь на близкие расстояния вследствие поглощения их энергии поверхностью планеты. Пространственные же способны многократно отражаться от земной поверхности и ионосферы, преодолевать большие расстояния, осуществляя передачу информации.

Сверхкороткие способны передавать большой объем информации. Радиоволны этого диапазона проникают сквозь ионосферу в космос, поэтому для целей наземной связи практически непригодны. Поверхностные волны этих диапазонов излучаются прямолинейно, не огибая поверхность планеты.

В оптических диапазонах возможна передача гигантских объемов информации. Чаще всего для связи используется третий диапазон оптических волн. В атмосфере Земли они подвержены затуханию, поэтому в реальности передают сигнал на расстояние до 5 км. Зато использование подобных систем связи избавляет от необходимости получать разрешения от инспекций по электросвязи.

Принцип модуляции

Для того чтобы передать информацию, радиоволну нужно модулировать сигналом. Передатчик испускает модулированные радиоволны, то есть измененные. Короткие, средние и длинные волны имеют амплитудную модуляцию, поэтому они обозначаются как АМ. Перед модуляцией несущая волна движется с постоянной амплитудой. Амплитудная модуляция для передачи изменяет ее по амплитуде, соответственно напряжения сигнала. Амплитуда радиоволны изменяется прямо пропорционально напряжению сигнала. Ультракороткие волны имеют частотную модуляцию, поэтому они обозначаются как ЧМ. накладывает дополнительную частоту, которая несет информацию. Для передачи сигнала на расстояние его нужно промодулировать более высокочастотным сигналом. Для принятия сигнала нужно отделить его от поднесущей волны. При частотной модуляции помех создается меньше, однако радиостанция вынуждена вещать на УКВ.

Факторы, влияющие на качество и эффективность радиоволн

На качество и эффективность приема радиоволн влияет метод направленного излучения. Примером может послужить спутниковая антенна, которая направляет излучение в точку нахождения установленного приемного датчика. Этот метод позволил существенно продвинуться в области радиоастрономии и сделать множество открытий в науке. Он открыл возможности создания спутникового вещания, беспроводным методом и многое другое. Выяснилось, что радиоволны способны излучать Солнце, многие планеты, находящиеся вне нашей Солнечной системы, а также космические туманности и некоторые звезды. Предполагается, что за пределами нашей галактики существуют объекты, обладающие мощными радиоизлучениями.

На дальность радиоволны, распространение радиоволн оказывают влияние не только солнечное излучение, но и метеоусловия. Так, метровые волны, по сути, не зависят от метеоусловий. А дальность распространения сантиметровых сильно зависит от метеоусловий. Происходит из-за того, что водной среде во время дождя или при повышенном уровне влажности в воздухе короткие волны рассеиваются или поглощаются.

Также на их качество влияют и препятствия, оказывающиеся на пути. В такие моменты происходит замирание сигнала, при этом значительно ухудшается слышимость или вообще пропадает на несколько мгновений и более. Примером может послужить реакция телевизора на пролетающий самолет, когда мигает изображение и появляются белые полосы. Это происходит за счет того, что волна отражается от самолета и проходит мимо антенны телевизора. Такие явления с телевизорами и радиопередатчиками чаще происходят в городах, поскольку диапазон радиоволн отражается на зданиях, высотных башнях, увеличивая путь волны.