Радиоволны процесс их образования и распространение

В системах передачи информации с помощью радиотехнических и радиоэлектронных приборов различают три звена: передающее устройство, среда, в которой распространяются радиоволны, и приемное устройство.

Понятно, что  если радиоэлектронная система включает в свой состав тракт распространения, то безупречная и надежная работа системы в целом в значительной мере определяется также условиями распространения радиоволн на участке, разделяющем передающую и приемную антенны.

В процессе распространения  волны подвергаются ослаблению и  искажению. Кроме того, на приемную антенну воздействуют разного рода помехи как естественного, так и искусственного происхождения. Для обеспечения надежной передачи информации необходимо, чтобы поле сигнала, во-первых, в определенное число раз превышало уровень помех (в зависимости от условий работы канала связи и требований к надежности). Во-вторых, сигналы не должны подвергаться чрезмерным искажениям, неизбежно возникающим в процессе распространения. Искажения должны находиться в пределах допустимых норм.

     Передача  информации может нарушиться либо при значительном снижении уровня сигнала (который при этом уже не будет выделяться на фоне помех), либо при сильном искажении формы сигнала (его растягивании, дроблении и т. д.).

Свободно распространяющиеся радиоволны находят в современной  технике обширные и многообразные применения, а именно: в системах связи, в радиолокационных устройствах, телеметрии, системах управления, в радионавигации и во многих других случаях. Их основное преимущество заключается в том, что когда связь устанавливается между фиксированными (наземными) пунктами, то нет необходимости сооружать между ними, соединительную или направляющую систему. Радиоволны являются единственным и естественным средством осуществления связи с передвигающимися объектами (автомобилями, кораблями, самолетами, космическими кораблями).

     1. Процесс образования  радиоволн .

Радиоволнами  условно называют электромагнитные волны в диапазоне от 100000 м до примерно 0,1 мм, что, применяя известное соотношение между длиной волны и частотой соответствует интервалу частот от 3000 гц до 3•10¹² гц.

Используемые  в технике связи волны принято  подразделять по десятичному признаку на диапазоны: сверхдлинных волн (СДВ) от 10⁵ до 10⁴ м, длинных волн (ДВ) от 10⁴ до 10³ м, средних волн (СВ) от 10³ до 100 м, коротких волн (КВ) от 100 до 10 м, метровых волн (МВ) от 10 до 1 м, дециметровых волн (ДМВ) от 1 до 0,1 м, сантиметровых волн (СМВ) от 10 до 1 см, миллиметровых волн (ММВ) от 1 см до 1 мм и субмиллиметровых волн (СММВ) от 1 до 0,1 мм. Волны короче 0,1 мм относят к диапазону оптических волн.

Диапазоны МВ, ДМВ  и СМВ часто называют ультракороткими  волнами. Сверхвысокими частотами  называют частоты диапазонов ДМВ  и СМВ.

Скорость распространения  радиоволн в свободном пространстве составляет 3 • 10⁸ м/с.

Дифракция радиоволн  - явление, состоящее в том, что радиоволны способны огибать препятствия. Дифракция проявляется тем сильнее, чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствий. Например, километровые и гектометровые волны огибают горы, холмы, большие городские здания и т. д. В то же время волны микроволновых диапазонов не огибают эти препятствия, образуя непосредственно за ними зоны радиотени. Благодаря явлению дифракции волны огибают неровности земной поверхности, распространяясь в виде поверхностной (земной) волны на расстояния, превышающие дальность прямой видимости.

Рефракция радиоволн - явление преломления радиоволн в атмосфере вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой, приводящее к увеличению дальности распространения поверхностной радиоволны. При среднем (нормальном) состоянии атмосферы (температура воздуха на уровне моря 15°С, снижение температуры с высотой-0,65°С на 100 м, уменьшение давления - дальность распространения поверхностной радиоволны увеличивается на 15 ... 20% по сравнению с дальностью геометрической видимости (случай нормальной атмосферной рефракции). При некоторых особых состояниях атмосферы, когда плотность воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем в нормальной атмосфере, может образоваться атмосферный волновод (суперрефракция), по которому поверхностная волна распространяется в несколько раз дальше, чем при нормальной рефракции.

Интерференция радиоволн - явление взаимного наложения радиоволн, приходящих в точку приема по разным путям. Если амплитуды радиоволн, приходящих по двум путям различной длины, одинаковы, то при совпадающих фазах результирующее поле удваивается, при противоположных фазах равно нулю.¹

С явлением интерференции  радиоволн связаны замирания  сигнала, а также появление повторных  контуров на телевизионном изображении.

Радиоволны принято также классифицировать по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара.

Волны, распространяющиеся в свободном пространстве (космосе) от одного космического объекта к  другому, носят название прямых или свободно распространяющихся. К этой же категории можно в некоторых случаях отнести волны, распространяющиеся между наземной станцией и космическим объектом, а именно в те случаях, когда влиянием относительно тонкого слоя атмосферы можно пренебречь.²

Радиосвязь может  осуществляться с помощью поверхностных и пространственных радиоволн.  

Волны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности  Земли и частично огибающие ее вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных. Способность волн огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем ниже частота сигнала, тем больше дальность распространения поверхностной волны. Чем короче волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине УКВ очень слабо дифрагирует вокруг поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости.

Ультракороткие  волны, распространяющиеся за счет рассеяния  на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км, получили название тропосферных.

Наконец, волны  длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счет однократного и многократного отражения от ионосферы (т. е. ионизированной оболочки атмосферы), называются ионосферными или пространственными.

Слои ионосферы: слой D с наиболее слабой электронной концентрацией, высота 60 ... 80 км (существует только днем), слой Е со средней электронной концентрацией, высота 90 ... 150 км, слой F с наиболее высокой электронной концентрацией, высота 190 ... 500 км; летом расщепляется на два слоя с различной электронной концентрацией: F₁ (высота 190 ... 230 км) и F₂ (высота 230 ... 500 км).

     2. распространения  радиоволн различного диапазона

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 [2].  
 
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.  
Распространение коротких и ультракоротких волн [2].  
 
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 определенное 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 еще более близки к световым лучам и потому обладают еще 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 ее 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 создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча.

При приеме радиоволн  также могут использоваться достоинства  направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими  спутниковыми антеннами, фокусирующими  излучение спутникового передатчика  в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных 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.  
 
Параболические направленные антенны [1]. 
 
Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, сильно ограничивающей дальность связи.  
Мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества. 
 

Мириаметровые и километровые волны 

Диапазоны частот от 3 до 30 кГц - очень низкие частоты (ОНЧ) и от 30 до 300 кГц - низкие частоты (НЧ).

     Поверхностная волна обладает ярко выраженной способностью к дифракции и обеспечивает устойчивую надежную радиосвязь на больших расстояниях при использовании сложных и дорогих антенно-мачтовых сооружений. На расстоянии до 400 км распространение происходит только с помощью поверхностной волны, до 3000 км - с помощью поверхностной и пространственной волн, свыше 3000 км - только с помощью пространственной волны. Используются для радиовещания и радионавигации. Основной источник помех -атмосферные разряды. Диапазон мириаметровых волн используется, как правило, для радиосвязи под водой.

     Гектометровые волны. Диапазон частот от 300 кГц до 3 МГц - средние частоты (СЧ). Способность поверхностной волны к дифракции выражена слабее, чем на километровых волнах. В дневное время гектометровые волны распространяются только в виде поверхностной волны на расстояние до 300 ... 500 км над сушей и до 800 ... 1000 км над морем, а ночью-с виде поверхностных и пространственных волн на расстояние до 4000 км. Используются для служебной и любительской связи, а также для радиовещания.

Декаметровые (короткие) волны. Диапазон частот от 3 до 30 МГц -высокие частоты (ВЧ). Основной диапазон, используемый для любительской и профессиональной радиосвязи на расстояния в несколько тысяч и десятков тысяч километров. Радиосвязь на декаметровых волнах проводится только с помощью пространственных волн, так как поверхностные волны в этом диапазоне имеют слабую способность к дифракции и кривизну земного шара практически не огибают. Обычно в дневное время для связи применяют «дневные» волны (от 10 до 20 м), а ночью, когда ионизация становится более слабой, - «ночные» волны (от 35 до 70 м). Связь на декаметровых волнах часто нарушается из-за глубоких замираний сигнала. Причины замираний - изменения разности фаз лучей, пришедших в точку приема по разным путям (интерференционные замирания с периодом несколько секунд); поворот плоскости поляризации вследствие двойного лучепреломления в ионосфере (поляризационные замирания); повышенное затухание в слое Д в периоды максимума солнечной активности вплоть до полного поглощения пространственной волны (длительность замирания до 60 мин); исчезновение слоя Р₂ в высоких широтах и снижение МПЧ в средних широтах из-за корпускулярного излучения Солнца (внешние признаки появление полярных слияний, длительность нарушений связи несколько дней). Меры борьбы с интерференционными и поляризационными замираниями -прием на разнесенные антенны и на разнесенных частотах, применение глубокой АРУ в приемниках, а при замираниях из-за корпускулярного излучения Солнца переход на более низкие частоты.

При связи на декаметровых волнах возможно появление  «зоны молчания» в виде кольцевой  области, которая заключена между  радиусом действия поверхностной волны  и расстоянием, на котором появляется отраженная от ионосферы пространственная волна. Качество дальней связи на верхнем уровне диапазона частот может ухудшаться также из-за того, что в точку приема кроме основного сигнала приходит с большим временным сдвигом (до 0,1 с) второй сигнал, прошедший более длинный путь по дуге большого круга (кругосветное эхо).

Микроволновые диапазоны. Включают в себя метровые волны (очень высокие частоты, ОВЧ, 30 ... 300 МГц), дециметровые волны (ультравысокие частоты, УВЧ, 300 ... 3000 МГц), сантиметровые волны (сверхвысокие частоты, СВЧ, 3 ... 30 ГГц), миллиметровые волны (крайне высокие частоты, КВЧ, 30 ... 300 ГГц), децимиллиметровые волны (300 ... 3000 ГГц). Радиоволны микроволновых диапазонов распространяются только с помощью поверхностной волны, так как в этих диапазонах пространственные волны от ионосферы не отражаются. Поскольку дифракция поверхностной волны в этих диапазонах почти не проявляется, распространение радиоволн происходит только в пределах прямой видимости.

На метровых волнах благодаря незначительной дифракции  дальность приема может быть несколько  больше, чем дальность прямой видимости, однако в зоне дифракции (зона полутени и тени) напряженность поля убывает  очень быстро, прием телевизионных передач становится нестабильным и неустойчивым. На метровых волнах наблюдаются отдельные случаи дальнего и сверхдальнего приема телевизионных передач вследствие рассеяния радиоволн на неоднородностях атмосферы и отражения радиоволн от областей ионосферы с повышенной ионизацией.

На дециметровых волнах дифракция практически отсутствует, и дальность приема не превышает  дальности прямой видимости. Случаи дальнего и сверхдальнего приема телевизионных передач на дециметровых волнах связывают с образованием атмосферных волноводов над тропическими морями при аномальном состоянии атмосферы (суперрефракция).

Дальность распространения  метровых и дециметровых волн практически  не зависит от метеоусловий.

Сантиметровые и миллиметровые волны также  распространяются в пределах прямой видимости, однако дальность их распространения существенно зависит от метеоусловий. Поглощение сантиметровых волн во влажном воздухе составляет 0,01 дБ/км, на частоте 24 ГГц наблюдается резонансное поглощение в водяном паре (0,2 дБ/км), на частоте 60 ГГц в кислороде (13 дБ/км). Поглощение и рассеяние происходит во время дождя от 0,1 до 10 дБ/км в зависимости от интенсивности дождя.