IV. Учебно-материальное обеспечение

1. Мультимедийный проектор.

1. Классификация и параметры радиоволн

Передача информации по каналам радиосвязи, как уже отмечалось выше, осуществляется через беспроводную линию связи - окружающее нас свободное пространство. Для этого используют специальные электрические сигналы – электромагнитные колебания, которые хорошо излучаются и распространяются в свободном пространстве от передатчика к приемнику со скоростью примерно равной скорости света - 300 тысяч км/с.

Электромагнитные колебания, расположенные в диапазоне радиочастот до 10 ¹³ Гц, принято называть радиоволнами.

В общем случае электромагнитные волны представляют собой комбинацию колебаний электрического Е и магнитного Н полей (рис.1).

Рис.1. Составляющие электромагнитного поля.

Векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны Х ,т.е.

Направление вектора Х определяется правилом буравчика с правой нарезкой: направление вектора Х совпадает с поступательным движением буравчика, если его вращать в направлении от вектора Е к вектору Н.

Можно показать, что между амплитудами магнитной и элек­трической составляющих электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве, имеется определенная количественная связь, выражаемая соотношением

где: Ет — измеряется в вольтах на метр;

Нт — в амперах на метр;

Величина Zo имеет размерность сопротивле­ния Zo = 120π = 376,6 Ом. По своему физическому смыслу оно представляет волновое сопротивление пространства, которое оно оказывает распространяющейся в этом пространстве электромагнитной волне.

Для полной характеристики электромагнитного поля, строго говоря, нужно знать обе составляющие поля: электрическую и магнитную. Однако ввиду того, что между величинами электриче­ской и магнитной составляющих поля имеется жесткая связь, вы­ражаемая вышеприведенным соотношением, и известна взаимная ориентация векторов Е и Н (которые взаимно перпендикулярны), можно ин­тересоваться только одной из составляющих. На практике, как правило, интересуются электрической составляющей электромаг­нитного поля, поскольку ее легче измерить.

Чтобы охарактеризовать ориентацию векторов элек­тромагнитного поля, вводят понятие плоскости поляризации. Она представляет собой плоскость, проходящую через направление распространения радиоволн и направление вектора Е электриче­ской составляющей электромагнитного поля (рис. 2).

В зависимости от направления вектора Е волны радиоволны делятся на вертикально и горизонтально поляризованные, как это показано на рис.2.

Радиоволны классифицируют также в зависимости от длины волны. Расстояние, на которое волна распространяется за время одного периода колебаний, называется длиной волны.

Рис.2. Виды поляризации радиоволн

Следовательно, длина волны определяется частотой электромагнитных колебаний и связана с ней соотношением

(1)

где: с – скорость света;

Т – период электромагнитных колебаний;

f – частота электромагнитных колебаний.

В соответствии с величиной длины волны согласно Международного Регламента радиосвязи принято деление радиоволн приведенное в табл.8.1.

В отечественной технической литературе часто применяются иные термины для определения диапазонов радиоволн. Так, например, километровые волны называют длинными волнами (ДВ), гектометровые – средними (СВ), декаметровые – короткими (КВ), а метровые, дециметровые и сантиметровые – ультракороткими (УКВ). Такие термины допускаются к использованию для тех служб радиосвязи, которым отведены полосы частот, границы которых не совпадают со стандартными границами диапазонов радиоволн.

Таблица.1.-Классификация радиоволн

В соответствии с этим может использоваться классификация радиоволн и соответствующих им частот, приведенная на рис.3.

Рис. 3. Виды радиоволн.

Для обеспечения устойчивой и надежной радиосвязи очень важно выбрать соответствующий диапазон частот, значит и диапазон длин волн.

Обычно выбор диапазона радиоволн для конкретной системы радиосвязи во многом определяется рядом факторов, связанных в первую очередь с особенностями излучения и распространения электромагнитных колебаний

2. Особенности распространения радиоволн

Радиоволны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, обусловленные влиянием поверхности Земли и строением атмосферы. Эти особенности связаны с явлениями, которые характерны электромагнитным волнам. В частности, распространение радиоволн в атмосфере сопровождается следующими основными явлениями.

Дифракция радиоволн – явление отклонения радиоволн от прямолинейного распространения при прохождении мимо края препятствий. Это значит, что радиоволны могут огибать препятствия на пути распространения. Степень дифракции тем меньше, чем меньше длина волны. Отсюда следует, что радиоволны могут распространяться вдоль земной поверхности. Такие волны называются поверхностными.

Поглощение радиоволн земной поверхностью. Влияние Земли на распространение радиоволн связано с тем, что с физической точки зрения земную поверхность можно рассматривать как некоторую среду - проводник электричества (хотя и не очень хороший) с различными электрическими параметрами - электропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т.д. Электромагнитная волна проникает в толщу земли, на небольшую глубину. При этом происходит частичное погло­щение энергии радиоволн, распространяющихся в почве, сопровож­дающееся затуханием интенсивности электромагнитных колебаний по мере удалее

ния от места излучения. Это, в свою очередь, сказывается на дальности распространения поверхностных радиоволн, а следовательно, и на дальности радиосвязи.

Радиоволны, излученные антенной передающего устройства, распростра­няются не только вдоль земной поверхности, но и в направлении верхних слоев атмосферы. Такие радиоволны называются пространственными.

Дальность распространения пространственных радиоволн существенно зависит от состояния атмосферы – ее строения и физических свойств, а также тех явлений, которые проявляются при распространении радиоволн в атмосфере.

Атмосферу, окружающую Землю, принято делить на три характерных слоя – тропосферу, стратосферу и ионосферу (рис. 4).

Нижний слой атмосферы, непосредственно прилегающий к поверхности Земли и простирающийся на высоту до 10-15 км, называют тропосферой. Тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам, которые определяются состоянием воздуха, и характеризуется такими параметрами, как атмосферное давление, температура и влажность. В тропосфере формируются облака, выпадают осадки, возникают ветры и воздушные течения, что приводит к образованию локальных неоднородностей. Все это может оказывать влияние на распространение радиоволн в тропосфере.

С увеличением высоты над поверхностью Земли плотность воздуха уменьшается, понижается влажность и температура, но иногда могут происходить обратные явления, что сказывается на распространении ультракоротких волн. Проводимость воздуха очень мала, поэтому в тропосфере радиоволны длиннее 0,3 м практически не поглощаются.

За тропосферой располагается слой, называемый стратосферой,

простирающийся на высоту до 60 км. В этом слое воздух находится в еще более разреженном состоянии, однако проводимость его невелика и не оказывает влияния на распространение радиоволн.

Рис.4. Строение атмосферы и виды радиоволн.

С точки зрения электрических свойств, стратосфера является практически однородной средой, и радиоволны распространяются в ней практически прямолинейно со скоростью света и без существенных потерь.

На расстоянии от Земли 60 км и больше (400-600 км) простирается ионосфера. Эти верхние слои атмо­сферы находятся под непре­рывным воздействием солнечного и космического излучений, в ре­зультате чего происходит ионизация содержащихся там атомов газов. Главную роль в ионизации играют ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца, а затем космическое излучение. Под действием указанных факторов происходит ионизация газов. При этом ионосфера становится токопроводящей средой. Проводимость ионизированной среды определяется количеством электронов, находящихся в 1 см³ газа, т.е. электронной плотностью. Плотность электронов с заходом солнца убывает.

Степень ионизации на высоте непостоянна, однако на определенных высотах наблюдается максимум ионизации. Это объясняется неоднородностью слоистой структуры ионосферы. Изменение плотности атмосферы с увеличением расстояния от Земли и сложная зависимость ее температуры от высоты приводит к тому, что в результате ионизации в ионосфере образуются четыре ярко выраженных слоя - D, Е, F₁ и F₂.

Самый нижний слой ионосферы D расположен на высотах 60...90 км. Он существует в летнее время, причем только в дневные часы, когда велика солнечная активность и представляет собой нерегулярное образование ионосферы.

На высотах 100…120 км от поверхности Земли находится ионосферный слой Е. Этот слой характеризуется переменной концентрацией свободных электронов, которая может изменяться в зависимости от времени года и суток. Днем слой Е располагается несколько ниже, а ночью значительно выше.

Слои F₁ и F₂ занимают области ионосферы на высотах от 120 до 450 км и выше от земной поверхности. Обычно их рассматривают как один слой ионосферы, имеющий наибольшую концентрацию свободных электронов.

Электрические свойства всех слоев ионосферы сильно изменяются в зависимости от времени года, суток и циклов солнечной активности. В этих слоях распространение радиоволн сопровождается следующими основными явлениями.

Радиоволны распространяются в воздушной среде прямолинейно. Однако если слои атмосферы отличаются один от другого плотностью, будут отличаться и их электрические характеристики, в частности, диэлектрическая проницаемость. Радиоволны будут преломляться, т.е. их путь распространения искривляется. Явление искривления направления распространения радиоволн в неоднородной среде получило название атмосферной рефракции. Если диэлектрические плотности сред, в которых распространяются радиоволны, сильно отличаются друг от друга (например, «воздух – земля», «воздух – вода»), радиоволны будут испытывать не только преломление, но и отражение. При этом так же, как и в геометрической оптике, угол падения будет равен углу отражения.

Заметим, что радиоволны могут также отражаться от ионосферы и от земной поверхности, более того они могут претерпевать многократные попеременные отражения от ионосферы и Земли, распространяясь на большие расстояния (рис.8.4).

Таким образом, радиоволнам в ионосфере характерны явления преломления и отражения.

Степень преломления радиоволн зависит от угла падения радиоволны на ионосферу α с поверхности Земли и частоты колебаний f. При этом возможны различные траектории распространения пространственных радиоволн в зависимости от величины угла падения α (рис. 5).

Угол падения, при котором радиоволна не проходит через ионосферу и распространяется вдоль нее (луч 2 на рис. 5), называется критическим- α_КР . Величина критического угла падения радиоволны зависит от концентрации электронов в атмосфере N_э и частоты излучений f и определяется выражением

(2)

Если углы падения меньше критического α₁ <α_К, то преломление лучей будет невелико, и радиоволны проникают через ионосферу в космос (луч 1). При углах падения, больших критического угла α₃ > α _К, преломление настолько велико, что радиоволны полностью отразятся и вернутся на Землю (луч 3).