Что такое радиоволны?
Радиоволны — это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сёк). Кстати, свет это тоже электромагнитные волны, обладающие схожими с радиоволнами свойствами (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 учёного 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:
где f — частота электромагнитного излучения в МГц
Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением — догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что длина волны напрямую влияет на длину антенны для радиосвязи.
Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волн 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 её отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Ещё одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своём пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолёт, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить её. Но может и не отразить. Вспомните военную технологию снижения заметности «Stealth», в рамках которой разработаны соответствующие геометрические формы, радиопоглощающие материалы и покрытия для уменьшения заметности объектов для локаторов.
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.
Распределение спектра
Радиоволны, 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 идёт 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.
Распределение 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 землёй, причём тем больше, чем короче длина волна (выше частота).
Кроме того, энергия волны ослабевает ещё и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приёмник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше её попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причём 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.
Ещё в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землёй 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 приёмом импульсов позволили определить высоту и количество слоёв отражения.
Распространение длинных и коротких волн
Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мёртвой 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 её отражение и, следовательно, больше «мёртвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают её 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
Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определённое преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.
Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц ещё более близки к световым лучам и потому обладают ещё одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы её размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).
Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создаёт меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.
При приёме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приёмный датчик. Применение направленных приёмных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.
Параболическая направленная спутниковая антенна (фото с сайта ru.wikipedia.org)
Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает затухание и поглощение энергии в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьёзной помехой, ограничивающей дальность связи.
Мы выяснили, что радиоволны обладают различными свойствами распространения в зависимости от длины волны и каждый участок радиоспектра применяется там, где лучше всего используются его преимущества
