Передача и получение информации по средствам радиоволн

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Удмуртский государственный университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Электротехника и электроника»

на тему: «Передача и получение информации по средствам радиоволн»

 

 

                                        

 

 

                                                                                                

                                      Ижевск 2012г.

 

 

 

 

Содержание

Введение

1.  История исследования длинных и коротких волн

2.  Распространение волн коротковолнового диапазона

3.  Общие свойства радиоволн.

4.  Распространение поверхностных (земных) радиоволн.

5.  Распространение пространственных радиоволн.

6.  Распространение мириаметровых и километровых волн (сверхдлинных и длинных)

7.  Распространение гектометровых (средних) волн.

8.  Распространение декаметровых (коротких) волн.

9.  Распространение волн короче 10 м. (УКВ и СВЧ-волны)

Заключение

Список литературы 

 

 

 

 

 

 

Введение

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации.

После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.

В XX веке электромагнитные волны начали прочно входить в быт людей. Еще до войны в квартирах горожан появились радиолы, затем – телевизоры, в 60-е годы распространившиеся необычайно широко. В 90-х годах в наш быт стали проникать радиотелефоны, микроволновые печи, пульты дистанционного управления телевизорами, видеомагнитофонами и т.д. Все эти приборы излучают или принимают электромагнитные волны.

 

 

 

 

1.  История исследования длинных и коротких волн

К радиоволнам относят электромагнитные волны, частота которых находится в диапазоне до 3000 ГГц = 3·1012 Гц. Как видно из приведенного ниже рисунка, они занимают весьма скромную часть среди известных нам видов электромагнитных излучений.

К настоящему времени человечество научилось использовать для передачи информации электромагнитные волны вплоть до ультрафиолетового диапазона.

Как Вы знаете, освоение радиоволн началось с экспериментов Г.Герца. Он проводил свои опыты на волнах длиной до 67 см и доказал, что они обладают такими же свойствами, как и свет. В практически реализованных А.С.Поповым и Г.Маркони системах беспроволочной телеграфии использовались более длинные волны. Это было сделано интуитивно: для увеличения дальности действия требовалось излучать электромагнитные колебания большой мощности. Большую мощность можно было получить только от антенн больших размеров, а большие антенны могли излучать только волны большой длины.

В первую очередь беспроволочная связь была нужна флоту. Размер антенны на корабле ограничивался высотой мачт и расстоянием между ними. Поэтому для связи использовались волны длиной 150 – 200 м. Береговые станции имели более высокие и значительно более разнесенные мачты и поэтому использовали волны до 1000 м.

Увеличение дальности действия происходило очень быстро, и не только в пределах прямой видимости. Особенно впечатляющих результатов добился Маркони. Образованная им компания Wireless Telegraph and Signal Company Limited обладала достаточными средствами, в ней работали многие известные в то время специалисты, а сам Маркони отличался неуемной энергией.

В 1896 г. он продемонстрировал аппаратуру с дальностью связи в 3 км. Через год им была достигнута дальность связи 21 км. Еще через полтора года – 70 км. В начале 1901 года – 300 км. А в декабре 1901г. Г.Маркони установил связь между Англией и Северной Америкой на расстоянии около 3700 км. Об энергии, которую развил Маркони в деле пропаганды радиосвязи, можно судить хотя бы по тому факту, что Атлантический океан он пересек восемьдесят раз.

Передающая антенна (рис. сверху), обеспечивающая дальнюю связь, занимала много сотен метров. Приемная антенна представляла собой длинный провод, закрепленный на воздушном шаре. Вообще то в линиях дальней связи на приемном конце тогда использовались различные антенны, например, ромбическая, как показано на рисунке ниже.

О размерах этой антенны можете судить, сравнивая ее с размерами мебели в подсобном помещении на первом этаже.

Спустя два года была установлена связь и с Южной Америкой (10000 км) Ниже на рисунке показано, как с годами изменялась достигнутая дальность связи.

 

Но как проходили электромагнитные волны на другую сторону Земли, было совершенно непонятно. В начале своих опытов и Попов и Маркони предполагали, что радиоволны, подобно свету, распространяются прямолинейно. Однако связь, установленная Г.Маркони 12 декабря 1901 года между Нью-Фаундлендом (Канада) и юго-западной Англией (расстояние 3700 км) заставила исследователей отказаться от мысли о прямолинейности распространения радиоволн.

До объяснения этого факта было далеко, а опыт показывал, что для достижения большей дальности требовалась большая длина волны. И во втором десятилетии ХХ века стали строить станции для трансатлантической связи мощностью в сотни киловатт, на волнах длиною до 15000 – 20000 м. Кривая освоения диапазона длинных радиоволн показана ниже. К 1920 году длина волны достигла 30000 м и дальнейший ее рост прекратился. С одной стороны, это объяснялось тем, что слишком уж громоздкими становились антенные системы. А с другой стороны, низкая частота электромагнитной волны (частота колебания с длиной волны λ = 30000 м равна f = c/λ = 3*108/3*104 = 104 Гц = 10 кГц) позволяла передавать только низкочастотные сообщения.

А потребность в радиосвязи все увеличивалась. Поэтому вынуждены были осваивать высокочастотные диапазоны.

Но мешало одно обстоятельство. Экспериментально было установлено, что короткие волны (короче 200 м) распространялись прямолинейно и не огибали Землю, и для связи на большие расстояния не годились. Поэтому их сочли непригодными для дальней связи и отдали радиолюбителям. А радиолюбители и этому диапазону были рады и вскоре утерли нос профессионалам. В 1921 – 1923 гг. радиолюбители Америки и Европы на этих волнах, с небольшой мощностью передатчиков перекрыли Атлантический океан, а затем установили связь между материками-антиподами.

Радиолюбительское движение, едва возникнув, ознаменовалось фундаментальным открытием: коротковолновая радиосвязь, осуществленная передатчиками мощностью в единицы ватт, возникала и держалась устойчиво в течение заметного времени на дальностях, недоступных радиостанциям, работающим в диапазоне длинных волн, хотя мощность последних достигала сотен киловатт. Этот беспримерный в истории науки факт привлек внимание многих специалистов к коротким волнам, всюду началось их изучение.  

 

3.  Общие свойства радиоволн. 

Распространение радиоволн в земном пространстве зависит от свойств поверхности земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности земли в значительной мере зависят от рельефа местности, электрических параметров земной поверхности и длины волны. Подобно другим волнам радиоволнам свойственна дифракция, т.е. явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностными радиоволнами.

Атмосферу земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие параметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значения. По этим причинам скорости распространения в различных объемах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления волн при распространении их в неоднородной среде получило название рефракции. Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие искривления траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными.

В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабляется и может стать равным нулю. Указанное явление взаимодействия волн называется интерференцией.

4. Распространение  поверхностных (земных) радиоволн 

 

Распространение поверхностных радиоволн определяется двумя факторами: дифракцией и влиянием земной поверхности.

Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности земли, то на их распространении сказываются свойства земной поверхности.

Если бы земная поверхность была идеально проводящей, радиоволны отражались бы от нее без потерь, т.е. земля в этом случае была бы экраном, препятствующим прохождению волн в глубь почвы. В реальных условиях земля не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в землю, возбуждают в ней переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в земле очень сильно зависит от частоты радиоволн и сопротивления почвы электрическому току. В почве с увеличением частоты радиоволн величина индуцируемой ЭДС возрастает, и соответственно увеличиваются токи в земле, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения поверхностных радиоволн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают в среду и, следовательно, возрастает их поглощение. Еще А.С. Попов заметил, что над поверхностью моря дальность радиосвязи увеличивается по сравнению с дальностью связи над сушей.

Надо учитывать также, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль ее поверхности нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется, и помимо движения вдоль поверхности земли происходит распространение радиоволны сверху вниз.

Вышеперечисленные факторы ограничивают возможности использования поверхностной волны диапазонами сравнительно длинных волн (мириаметровые, километровые, гектометровые и частично декаметровые).

5.  Распространение пространственных радиоволн. 

 

Пространственные волны распространяются в атмосфере и не касаются земной поверхности.

Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. Атмосферу подразделяют на три основные сферы (слоя): тропосферу - приземный слой атмосферы, верхний слой которой лежит на высоте 10... 14 км; стратосферу - слой атмосферы до высот 60...80 км; ионосферу - ионизированный воздушный слой малой плотности над стратосферой, переходящий затем в радиационные пояса Земли. На высотах в сотни километров различные газы, составляющие воздух, располагаются слоями, более тяжелые - ниже, более легкие - выше. Таким образом, атмосфера на этих высотах неоднородна по составу.

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: F1 - на высоте 180...220 км и F2 - 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.

Таким образом, свойства земной атмосферы, влияющие на распространение радиоволн, изменяются по довольно сложным законам. Происходят также изменения случайного характера, которые предусмотреть вообще невозможно.