Как происходит излучение передача и прием радиоволн

7.3. Излучение и прием радиоволн

Возбуждение электромагнитных волн в пространстве осуществляется с помощью передающих антенн. Они преобразуют электрические колебания высокой частоты, вырабатываемые передатчиком, в электромагнитные волны (радиоволны).

При приеме радиосигналов происходит обратный процесс преобразования электромагнитных волн в электрические колебания с помощью приемной антенны и радиоприемного устройства.

Обратимость процессов, происходящих в антеннах при излучении и приеме, позволяет использовать одну и ту же антенну для реализации обоих режимов ее работы.

Рассмотрим физическую сущность процесса излучения электромагнитной энергии.

При работе замкнутого колебательного контура электрическое поле сосредоточивается главным образом в небольшом пространстве между обкладками конденсатора, а магнитное поле образуется вокруг катушки индуктивности на малом расстоянии от нее. Поэтому’лишь незначительная часть энергии излучается в окружающее пространство, что не позволяет практически использовать такой контур в качестве излучателя электромагнитной энергии. Для излучения требуемого количества энергии на большие расстояния необходимо применить такую колебательную систему, в которой электрическое и магнитное поля занимали бы большое пространство, т. е. необходимо преобразовать замкнутый контур в открытый. Эта задача решается антенной системой, которая, в сущности, и представляет собой открытый колебательный контур (смотреть статью под номером 7.8).

Таким образом, за один период колебаний электрическое поле отодвигается от антенны на расстояние, равное длине волны Я.

Для упрощения был рассмотрен процесс излучения антенной лишь энергии электрического поля, но это в равной мере относится и к энергии магнитного поля, так как при излучении электрического поля происходит излучение и связанного с ним магнитного поля.

Радиоволны имеют определенные направление и параметры, т. е. обладают векторными свойствами (смотреть статью под номером 7.9). Так, вектор Е электрического поля выражает собой еговеличину и направление в пространстве, вектор Н — величину и направление магнитного поля, а вектор Р — направление излучения. Подобный характер поляризации радиоволн имеет практическое значение при конструировании приемопередающих антенных устройств.

Одной из основных характеристик антенн является их направленность — свойство антенны излучать или принимать максимальную энергию в определенном направлении. Зависимость интенсивности излучения или приема антенны от направления графически выражается в виде диаграммы направленности (ДНА).

Диаграмма направленности антенны является пространственной функцией. При графическом построении ДНА обычно изображается в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. На смотреть статью под номером 7.10 представлена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости.

В большинстве случаев ДНА имеет многолепестковую структуру. Лепесток, соответствующий максимальному излучению или приему, называется главным, остальные — боковыми. Направленные свойства антенн оцениваются шириной, диаграммы направленности — углом 0, в пределах которого напряженность Ев электрического поля составляет 0,707 от ее максимальной величины Етах.

Применяемые антенны подразделяются на направленные и ненаправленные. Ненаправленные антенны излучают или принимают электромагнитную энергию практически равномерно во всех направлениях. У направленных антенн ширина ДНА не превышает 90°, а если ее величина составляет менее 20°, антенны называются остронаправлеиными.

Практически используемый в авиации спектр частот радиоволн от 3 104 до 3 10й Гц в зависимости от особенностей их распространения разбит на ряд диапазонов (смотреть статью под номером 7.1).

Высокочастотная энергия от передатчика к антенне или от антенны к радиоприемному устройству передается линиями передач, называемыми фидерами. Основным требованием к фидерам является передача энергии к радиоаппаратуре с минимальными потерями при ее работе как в режиме излучения, так и в режиме приема.

Оптимальный режим в фидере возможен при согласовании его волнового сопротивления с сопротивлением антенны и внутренним сопротивлением источника энергии, в результате чего передатчик будет отдавать, а антенна получать максимальную мощность. Это достигается согласующими устройствами.

В зависимости от диапазона частот работы аппаратуры, фидеры конструктивно выполняются в виде двухпроводных линий, коаксиальных кабелей и волноводов.

Двухпроводная линия может быть открытой (смотреть статью под номером 7.11, а) или экранированной (смотреть статью под номером 7.11, б). В связи с тем, что при больших частотах длина волны становится соизмеримой с расстоянием между проводами, двухпроводные фидеры применяются для работы в диапазоне длинных волн.

Наиболее широкое применение находят экранированные коаксиальные фидеры (смотреть статью под номером 7.11, а). В них,одним проводом служит внешняя металлическая оболочка, одновременно выполняющая и функции экрана, вторым — внутренний осевой провод. Требуемая электрическая изоляция между этими проводами обеспечивается наличием сплошного эластичного диэлектрического заполнителя или шайб из диэлектрического материала (смотреть статью под номером 7.11, г). Коаксиальные кабели применяются для передачи энергии метровых и дециметровых волн.

По мере уменьшения длины волны значительно увеличиваются потери энергии в проводниках и диэлектриках. Поэтому в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн используются волноводы прямоугольного или круглого сечения. В отличие от двухпроводных и коаксиальных фидеров, передача энергии в волноводе возможна лишь при возбуждении его колебаниями с длиной волны, меньшей так называемой критической Якр длины волны. Для волноводов прямоугольного сечения (смотреть статью под номером 7.11, д) критическая длина волны определяется величиной Ккр = 2Ь, для цилиндрических волноводов (смотреть статью под номером 7.11, ё) — Хкр = 1,71 d. Отличительной особенностью волноводов является практическое отсутствие потерь на излучение и сравнительно малая величина тепловых потерь.

Для получения наибольшей эффективности при работе радиоаппаратуры необходимо, чтобы рабочая длина радиоволн была бы соизмерима с размерами антенн, т. е. чтобы возникало явление резонанса. Поэтому длинные волны в связи с необходимостью иметь крупногабаритные антенны находят узкое применение. Рассмотрим принципиальное устройство и области применения существующих типов антенн.

Наружные слабонаправленные антенны. К этой группе относятся колпачковые, лучевые, штырьевые, вибраторные, копьевидные и другие виды антенн.

Лучевая или проволочная антенна (смотреть статью под номером 7.12) —это омедненный трос, который обычно закрепляется на пальчиковых изоляторах между фюзеляжем и килем самолета.

Антенна соединяется с радиоаппаратурой с помощью фидера снижения через проходной изолятор. В зависимости от типа самолета длина антенны может доходить до 25 м, что позволяет при наличии согласующих устройств использовать ее для работы в средневолновом диапазоне радиоволн.

Штырьевые антенны (смотреть статью под номером 7.13) представляют собой четвертьволновой металлический вибратор 7, устанавливаемый обычно через изолятор 2 на корпусе фюзеляжа самолета. Соединяется антенна с радиостанцией коаксиальным фидером, центральный провод которого присоединен к антенне, а оплетка — к корпусу фюзеляжа. С целью уменьшения аэродинамического сопротивления антенне придают обтекаемую форму, передняя кромка которой наклонена в сторону, противоположную направлению полета. Описанные антенны применяются в диапазоне ультракоротковолновых волн.

Копьевидные антенны (смотреть статью под номером 7.14), устанавливаемые на консолях крыла или на киле, позволяют сохранять аэродинамические характеристики самолета практически неизменными и использовать их в коротковолновом диапазоне. Однако они имеют ограничения по соображениям их прочности в диапазоне вибраций, возникающих в полете.

Вибраторная антенна, конструкция которой показана на смотреть статью под номером 7.15, представляет собой полуволновой вибратор, работающий на постоянной частоте. Вибраторные антенны применяются в радиовысотомерах, аппаратуре слепой посадки.

Невыступающие слабонаправленные антенны.

К ним относятся поверхностные, щелевые, фонарные, шлейфовые и другие разновидности антенн.

Поверхностные антенны представляют собой металлическую сетку, наклеиваемую на предварительно изолированную часть поверхности крыла или киля самолета. Для повышения антикоррозионной устойчивости ее поверхность покрыта радиопрозрачной краской. Такие антенны применяются при работе в ультракоротковолновом диапазоне.

Пазовые антенны (смотреть статью под номером 7.16) конструктивно выполняются в виде выреза в киле или в форкиле. Ее прямоугольная щель шириной (0,03—0,05) X и длиной около 0,5А, имеет замкнутую внутреннюю сторону. Паз заполняется диэлектриком, а фидеры подсоединяются к противоположным сторонам паза. В режиме резонанса в обшивке самолета (в районе щели) возникают токи, которые создают в режиме излучения значительное электромагнитное поле излучения в коротковолновом диапазоне радиоволн.

Фонарные антенны выполняются из фольги, наклеиваемой на внутреннюю поверхность остекления кабины пилота или штурмана. Компоновка подобной антенны для глиссадного приемника системы слепой посадки самолетов на лобовом стекле штурмана показана на смотреть статью под номером 7.17.

Шлейфовая антенна (смотреть статью под номером 7.18) представляет собой вибратор 7, соединенный одним концом с корпусом самолета, а вторым —¦ с радиоаппаратурой. С целью использования такой антенны на всем эксплуатационном диапазоне радиоволн, ее конструктивно выполняют в виде секций, каждая из которых обслуживает свой диапазон. Для перестройки антенны на различные длины воли в средневолновом и коротковолновом диапазонах антенны разделены на секции, которые подключаются к радиоаппаратуре контактами реле. Для уменьшения аэродинамического сопротивления антенна закрывается радиопрозрачным обтекателем.

Остронаправленные антенны. Эта группа антенн применяется при работе аппаратуры в дециметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн. Дециметровые и сантиметровые радиоволны по своим свойствам близки к световым волнам. Поэтому и антенны принципиально схожи со световыми излучателями.

В зависимости от требуемой формы ДНА конструкция антенны имеет соответствующие направляющие поверхности в виде рефлекторов (параболические, линзовые, рупорные) или без них (дисковые, щелевые и др.).

Параболические антенны имеют рефлектор в виде части параболоида вращения (смотреть статью под номером 7.19, а) или вырезки из параболического цилиндра (смотреть статью под номером 7.19, б). Вибраторы таких антенн устанавливаются в фокусе или вдоль фокальной линии рефлектора, конструкция которого может быть сплошной или решетчатой. Такое расположение вибратора обеспечивает излучение параллельного пучка радиоволн при излучении и фокусировании приходящих сигналов при приеме. Для уменьшения аэродинамического сопротивления антенны размещаются под обтекателем из радиопрозрачного материала.

Линзовая антенна (смотреть статью под номером 7.20, а) служит для преобразования сферического или цилиндрического фронта волны в плоский (и обратно). Такое преобразование осуществляется с помощью преломляющих сред, которыми служат металлические пластины или конструктивные элементы из диэлектрических материалов (полиэтилена, полистирола, тефлона, стеанита и др.).

Рупорная антенна (смотреть статью под номером 7.20, б) представляет собой часТь Волновода с плавно увеличивающимся поперечным сечением—рупором. Такой переход увеличивает направленное действие антенны и улучшает ее согласование с окружающим пространством. В зависимости от формы рупоры подразделяются на конические, пирамидальные и секториальные. Конические и пирамидальные антенны имеют игольчатую диаграмму направленности, секториальные — веерную.

Щелевые антенны (смотреть статью под номером 7.20, в) для дециметровых и сантиметровых волн имеют конструкцию в виде части волновода с отверстиями обычно прямоугольной формы. Вследствие этого происходит нарушение экранировки, а энергия излучается в окружающее пространство. По форме диаграммы направленности такие антенны приближаются к многовибраторным антеннам с соответствующими характеристиками.

Для обеспечения углового перемещения ДНА описанные антенны могут быть подвижными и неподвижными. В неподвижных антеннах применяется электронное сканирование ДНА, управление которым по заданной программе осуществляется электронными вычислителями.

Заказать строительство быстровозводимых промышленных здании ural-construction.ru.

Физический уровень — wireless, radio

Электромагнитный спектр — это совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения.

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число электромагнитных колебаний в секунду называется частотой ( [math]f[/math] ) и измеряется в герцах (Гц). Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны ( [math]\lambda[/math] ). В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света ( [math]c[/math] ).

Величины [math]f, \lambda[/math] и [math]c[/math] (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением: [math]\lambda f = c[/math] .

Принцип работы антенны

Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие или приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приёмником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи. Ошибочно полагать, что передающая антенна может усиливать сигнал. Обычная пассивная антенна при передаче сигнала лишь направляет спектр в определённом направлении и за счёт своей площади обеспечивает более уверенный приём. Антенна работает подобно световому отражателю в фонарях. Она направляет спектр в заданном направлении. Например, вам надо охватить уверенным сигналом большое помещение. Простым решением будет разместить точку доступа в центре помещения, но, к сожалению, это может быть связано с техническими трудностями. Намного проще установить точку доступа в одном из углов комнаты и направить сигнал в противоположный угол. Для этого вам потребуется направленная антенна, которая не будет посылать сигнал в стенку за собой, где он никому не потребуется, зато распределит спектр по площади с большей эффективностью.

Одна из основных характеристик антенны — её коэффициент усиления (КУ), выраженный в децибелах (дБ). КУ такой антенны — это отношение мощности сигнала, излучённого в определённом направлении к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной. КУ характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной, поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия.

Применение электромагнитного спектра в связи

Ниже, на рисунке, изображён электромагнитный спектр и его применение в связи. Радио, микроволновый, инфракрасные диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого, поэтому их практически не используют в радиосвязи, несмотря на их высокие частоты.

• Низкая (LF, Low Frequency) — длины волн от 1 км до 10 км;
• Средняя (MF, Medium Frequency) — длины волн от 100 м до 1 км;
• Высокая (HF, High Frequency) — длины волн от 10 м до 100 м;
• Очень высокая (VHF, Very High Frequency) — длины волн от 1 м до 10 м;
• Ультравысокая (UHF, Ultrahigh Frequency) — длины волн от 100 мм до 1000 мм;
• Сверхвысокая (SHF, Superhigh Frequency) — длины волн от 10 мм до 100 мм;
• Чрезвычайно высокая (EHF, Extremely High Frequency) — длины волн от 1 мм до 10 мм;
• Ужасно высокая (THF, Tremendously High Frequency) — длины волн от 0.1 мм до 1 мм.

Свойства радиоволн

Свойства радиоволн зависят от частоты. При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, но мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удалённости от источника выражается примерно так: [math]1 / r^2[/math] . На высоких частотах радиоволны распространяются исключительно по прямой линии и отражаются от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождём.

Так как радиоволны могут распространяться на большие расстояния, то существует и большая проблема взаимных влияний или помех. Основными причинами взаимных помех являются одновременные подключения к базовой станции, и если они используют общую полосу частот, то проблема усугубляется. Это создаёт наиболее сильный источник взаимных помех в радиосистемах многостанционного доступа. Минимизация нежелательных воздействий замираний и взаимных помех, а также оптимизация использования дефицитных радиоресурсов в значительной степени зависят от существующего планирования сети, применяющихся методов радиодоступа и алгоритмов, используемых для управления радиоресурсами, принципами сотовой связи, методами модуляции, современными антеннами и т.д.

Радиоволны низкой и средней частоты распространяются вдоль поверхности земли (на рисунке слева). На низких частотах эти волны можно поймать на расстоянии около 1000 км, и на несколько меньших расстояниях, если использовать волны средней частоты. Радиоволны же высокой частоты поглощаются землёй, но те, которые дошли до ионосферы (слой заряженных частиц на высоте от 100 до 500 км), отражаются от неё и посылаются обратно к поверхности земли (на рисунке справа).

Связь в микроволновом диапазоне

В современной высокотехнологичной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Например, сотовый телефон — он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения. Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, LTE, радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство СВЧ напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в этом диапазоне. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный луч, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны распространяются строго по прямой и плохо проходят сквозь твёрдые объекты. Например, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок, перекрытий, панелей сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли, ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обнаружения делится на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы соседние станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот. Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономится полоса радиочастот, используемая сетью.

Кроме того, микроволновая связь является относительно недорогой. Установка двух примитивных вышек с антеннами на каждой из них обойдётся дешевле, чем прокладка 100 км кабеля в перенаселённой городской или труднодоступной местностях.

Принцип работы сотовой связи

Вкратце, принцип работы пакетной сети можно описать так:

1. Выделение ресурсов для пакетной передачи на стороне контроллера базовых станций (при этом учитывается приоритет голосовых сервисов);
2. Проведение процедуры аутентификации абонента, включая идентификацию терминала абонента;
3. Обновление информации о местоположении абонента;
4. Согласование ключей шифрования потока;
5. Установление коммуникации между конечным устройством абонента и пакетной сетью оператора;
6. После окончания использования услуг пакетной передачи производится отключение абонента (освобождение канала).

Один из вариантов передачи данных через сотовую связь — протокол GPRS. GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (не обязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом не заметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Так же при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический). Соответственно, как и в обычной L3-сети, происходит обмен пакетами, где каждый пакет имеет строгую структуру — заголовки, в том числе ip.src и ip.dstn. Следовательно, пакеты, предназначенные мне, не могут попасть другим (только если их перехватят).

Инфракрасные и миллиметровые волны

Беспроводное инфракрасное и миллиметровое излучения применяется для связи на небольших расстояниях.

Достоинством диапазона миллиметровых волн являются малые размеры антенн (что позволяет уменьшить габаритные размеры системы в целом) и бо́льшая абсолютная полоса частот (что обеспечивает возможность совместного использования диапазона бо́льшим числом радиосистем). Однако, по сравнению с более низкочастотными диапазонами, радиоволны миллиметрового диапазона испытывают сильное затухание при распространении в земной атмосфере. Затухание вызвано резонансным поглощением энергии волн в атмосферных газах (преимущественно, в молекулах воды и кислорода), а также в атмосферных осадках (дождь, туман, снег и др.). Вследствие этого земные радиосистемы миллиметрового диапазона характеризуются малой дальностью действия и сильной зависимостью от погодных условий.

Дистанционные пульты управления телевизором, видеомагнитофоном, аудиосистемы используют инфракрасное излучение. Они дешёвые, направленные, но имеют важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твёрдые объекты. С другой стороны, этот факт имеет и положительную сторону: инфракрасная система в одной части здания не будет интерферировать с похожей системой в другой.

Связь в видимом диапазоне

Беспроводные оптические сигналы либо оптические системы в свободном пространстве применялись в течение нескольких веков. Примером служит использование двоичных оптических сигналов для передачи информации в пределах видимости.

Коммуникационная технология Li-Fi

Li-Fi (Light Fidelity) — новая беспроводная форма коммуникации с помощью видимого света, которая обеспечивает высокоскоростную, двустороннюю мобильную связь при помощи света из светодиодов вместо радиоволн, как это происходит в случае с Wi-Fi. Она передаёт двоичные данные в виде световых потоков и таким образом является разновидностью оптической беспроводной связи, к которой относятся все виды оптических коммуникация, где не используются оптические волокна. Также, был установлен рекорд скорости в 100 раз превышающий Wi-Fi, 224 Гбит/с.

Технология связи на основе видимого света (VLC технология) — среда для оптической беспроводной передачи данных в которой используется видимый свет в диапазоне от 400 до 800 ТГц для передачи двоичных данных в виде световых импульсов. Передача данных осуществляется с помощью светодиодов (LED), которые выступают в качестве фотодиодов. Таким образом, VLC технология может использоваться как для коммуникации, так и для освещения.

Li-Fi использует свет от светоизлучающим диодов для обеспечения сетевой, мобильной и высокоскоростной связи. Данные передаются путём модуляции интенсивности света в наносекундные интервалы, которые настолько быстрые, что не могу быть замечены человеческим глазом. Эти данные затем получает фотодетектор. После чего световой сигнал преобразуется в электронный вид.

Световые волны не могут проникать сквозь стены, поэтому радиус действия Li-Fi невелик, с другой стороны Li-Fi более защищён от взлома, чем обычный беспроводной канал связи. Также нет надобности в прямой видимости для передачи сигнала — свет, отражённый от стен, может достигать пропускной способности в 70 Мбит/сек.

Но у Li-Fi есть и достаточно серьёзные недостатки:

• Если говорить о случаях наружного использования, то помехи от солнечного света часто мешают внедрению Li-Fi решений. Однако, это влияние можно контролировать в случае внедрения технологии внутри помещений с помощью оптических фильтров.
• В случае с Li-Fi для удачной передачи данных вам нужно будет вытащить ваш смартфон из кармана.
• Необходимость наличия постоянно включенного света для осуществления соединения. В то время, как это не является проблемой в промышленных масштабах, это проблематично в домашних условиях с практической и экологической точек зрения. Вам придётся постоянно держать свет включенным для работы Li-Fi независимо от времени суток.

Что такое радиоволны? — КАК РАСПРОСТСТРАНЯЮТСЯ 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.
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.

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. 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.

Радиоволны, виды, принцип работы

«Радиоволна — это форма электромагнитного излучения, которое имеет низкую частоту и может распространяться в пространстве, проникая через преграды. Используется для передачи информации, такой как радио и телевизионные сигналы, а также для связи и навигации..»

1. История окрытия

2. Виды радиоволн

3. Принцип работы

6. Преимущества и недостатки

История открытия

История открытия радиоволн начинается с работ Генриха Герца, который в 1888 году обнаружил существование электромагнитных волн и доказал их существование экспериментально. Однако, его работы не были широко известны и использовались в основном для исследований в области электромагнетизма.

В 1894 году итальянец Гульельмо Маркони начал эксперименты с электромагнитными волнами, используя устройства для передачи и приема сигналов. Он разработал первую систему беспроводной связи, которая использовала радиоволны для передачи информации. В 1895 году подал патент на свою систему и начал коммерческое использование радиосвязи.

В 1901 году американский инженер-электрик Ли Де Форест изобрел первую электронную лампу, или вакуумный триод. Этот прибор позволил усиливать радиосигналы, что сделало возможным создание более мощных передатчиков и приемников.

В том же году, американский изобретатель Никола Тесла провел свои эксперименты с радиоволнами. Он разработал метод передачи радиосигналов на большие расстояния и создал первую радиостанцию, которая могла передавать сигналы на расстояние до 40 километров. В 1904 году ученый продемонстрировал работу своей радиостанции на Всемирной выставке в Сент-Луисе.

В 1913 году американский радиоинженер Реджинальд Фессенден начал исследования в области радиовещания. Он создал первую коммерческую радиостанцию в США, которая начала вещание в 1920 году. Ученый также разработал систему амплитудной модуляции (AM), которая используется в радиовещании до сих пор.

Таким образом, история открытия и развития радиоволн тесно связана с развитием электроники и радиотехники. Каждое новое открытие и изобретение в этих областях приводило к улучшению качества и дальности передачи радиосигналов, что в конечном итоге привело к созданию современных систем радиосвязи и радиовещания.

Виды радиоволн

Радиоволны классифицируются по длине волны, которая определяет их частоту. Длинные, средние, короткие, ультракороткие — основные виды радиоволн.

Длинные волны (ДВ)

Длина волны составляет от 1000 до 1000 метров. Частота колеблется от 30 до 300 кГц. ДВ-радиостанции передают информацию на большие расстояния, но имеют низкую информационную емкость из-за медленного изменения амплитуды и фазы сигнала. Они используются для радиовещания, а также для навигации и связи с судами.

Средние волны (СВ)

Длина волны от 500 до 500 метров, частота от 600 до 1500 кГц. СВ-радиостанции обеспечивают более высокое качество звука и лучшую локализацию, чем ДВ, благодаря отражению от ионосферы. Они часто используются для вещания новостей, музыки и рекламы.

Короткие волны (КВ)

Длина волны от 100 до 10 метров, частота от 3 до 30 МГц. КВ-волны могут проходить большие расстояния, отраженные от ионосферы, что позволяет осуществлять связь на больших расстояниях. Они широко используются для международной радиосвязи и вещания.

Ультракороткие волны (УКВ)

Делятся на три поддиапазона:

• Метровые волны (МВ) — длина волны от 10 до 1 метра, частота от 30 до 300 МГц. МВ-радиоволны используются для телевидения и радиовещания в крупных городах.
• Дециметровые волны (ДМВ) — длина волны от 1 до 0,1 метра, частота от 300 до 3000 МГц. ДМВ-радиоволны предназначены для телевидения и беспроводного доступа к Интернету.
• Сантиметровые и миллиметровые волны — используются в радиолокации, спутниковой связи, радиоастрономии и других областях.

Таким образом, виды радиоволн различаются по длине волны и частоте, что определяет их свойства и области применения.

Принцип работы

Принцип работы радиоволн заключается в передаче информации через электромагнитные волны в диапазоне частот от 3 кГц до 300 ГГц. Этот процесс включает в себя несколько этапов:

• Генерирование радиосигнала: В начале процесса, информация, которую необходимо передать, преобразуется в радиосигнал. Это может быть сделано с помощью различных методов, включая амплитудную модуляцию (AM), частотную модуляцию (FM) или фазовую модуляцию (PM).
• Передача радиосигнала: Затем радиопередатчик генерирует радиоволны, которые несут информацию. Он состоит из антенны, генератора радиочастот и модулятора. Генератор радиочастот создает радиоволны определенной частоты, а модулятор вводит в них информацию, полученную от источника данных.

• Прием радиосигнала: Когда радиоволны достигают антенны приемника, они создают электрический сигнал, который проходит через усилитель и демодулятор. Демодулятор извлекает информацию из радиосигнала и передает ее на выход приемника.
• Обработка информации: На последнем этапе, информация обрабатывается и представляется пользователю в виде звука, изображения или текста. Это выполняется с помощью соответствующего устройства, такого как динамик, телевизор или компьютер.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света. Они могут проходить через различные препятствия, такие как стены, горы и даже ионосферу Земли. Однако, чем больше препятствий на пути радиоволн, тем меньше их мощность и качество сигнала.

Свойства радиоволн

Основные характеристики радиоволн включают:

• Длина волны: Радиоволны имеют разную длину волны, которая измеряется в метрах (м). Чем больше длина волны, тем меньше частота радиоволны и наоборот.
• Частота: Измеряется в герцах (Гц) и показывает, сколько колебаний происходит в секунду. Чем больше частота, тем короче длина волны.
• Скорость распространения: Радиоволны распространяются со скоростью света, т.е. около 300 000 км/с. Это означает, что для каждой частоты волны существует определенная длина волны и расстояние между передатчиком и приемником.
• Затухание: Радиоволны могут затухать при прохождении через различные материалы, такие как вода, земля или здания. Степень затухания зависит от длины волны, частоты и свойств материала.
• Дифракция: Радиоволны способны огибать препятствия, такие как горы или здания, благодаря дифракции. Чем меньше длина волны, тем легче волна огибает препятствия.

• Отражение: Радиоволны могут отражаться от различных поверхностей, таких как металлические стены или горы. Угол отражения зависит от свойств отражающей поверхности и частоты волны.
• Интерференция: Когда две или более радиоволн с одинаковой частотой и фазой встречаются в одном месте, они могут усиливать или ослаблять друг друга, создавая интерференцию.
• Распространение: Радиоволны обычно распространяются в виде сферических волн. Однако в некоторых случаях, например в случае ионосферного распространения, могут распространяться по криволинейным траекториям.
• Поляризация: Радиоволны могут быть поляризованы, то есть иметь определенное направление колебаний. Это свойство используется для минимизации помех и улучшения качества сигнала.
• Шумы: В радиочастотном спектре присутствуют шумы, которые могут мешать приему радиосигналов. Шумы могут быть естественными, такими как фоновый шум атмосферы, или искусственными, вызванными различными источниками помех.

Применение радиоволн

Радиоволны используются во многих различных приложениях, включая:

• Связь: Радиоволны используются для передачи информации через различные средства связи, такие как радио, телевидение, сотовые телефоны, Wi-Fi, Bluetooth и спутниковое телевидение.

• Навигация и локация: Также используются в системах навигации, таких как GPS (Global Positioning System), GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), Galileo и Beidou, чтобы определить местоположение объектов на Земле или в космосе.

• Радары и радиолокация: Радары используют радиоволны для обнаружения и отслеживания объектов, таких как самолеты, корабли, ракеты и метеоры. Радиолокация используется в авиации, морском транспорте, метеорологии и других областях.

• Спутниковое вещание: Спутники связи используют радиоволны, чтобы передавать телевизионные сигналы, интернет-трафик и другие виды данных на наземные приемники, такие как антенны или устройства Wi-Fi.

• Медицинское оборудование: Некоторые медицинские устройства, такие как электрокардиографы, используют радиоволновые технологии для диагностики и мониторинга пациентов.

• Беспилотные транспортные средства (БПЛА): Радиоволны играют ключевую роль в управлении БПЛА, обеспечивая связь между дронами и их операторами.

• Промышленность и автоматизация: Радиочастотные идентификационные метки (RFID) используются в промышленности для отслеживания предметов и автоматизации процессов.

• Космические исследования: Радиоволны обеспечивают связь между космическими аппаратами и наземными станциями, а также играют важную роль в изучении космоса.

• Метеорология и климатология: Радиозонды используют радиоволновую передачу данных для измерения параметров атмосферы и прогнозирования погоды.

• Научные исследования: Радиоволновая спектроскопия используется для изучения молекулярных свойств веществ, таких как структура, химические реакции и переходы энергии.

Это лишь некоторые из множества применений радиоволн, которые продолжают развиваться и совершенствоваться, чтобы удовлетворить растущие потребности современного общества.

Преимущества и недостатки

Радиоволны используются в различных областях, таких как радио и телевидение, беспроводные коммуникации, навигация и даже медицина. Однако, как и у любой технологии, у радиоволн есть свои преимущества и недостатки.

Преимущества:

• Дальность действия: Радиоволны могут передаваться на большие расстояния, что делает их идеальными для глобальной коммуникации и навигации.
• Многообразие применения: Применяются в самых разных областях, от радиовещания и телевидения до мобильной связи и беспроводного интернета.
• Безопасность: Радиоволновое излучение не является ионизирующим и, следовательно, не представляет такой опасности для здоровья, как рентгеновские лучи или гамма-излучение.
• Экономичность: В сравнении с другими видами связи, такими как оптоволокно или спутники, радиосвязь обходится дешевле.

Недостатки:

• Помехи: Радиосигналы могут подвергаться помехам со стороны других источников радиоволн, что может привести к ухудшению качества связи.
• Незащищенность: Радиосвязь является незащищенной, и информация может быть перехвачена и прочитана посторонними. Для обеспечения безопасности связи необходимо использовать шифрование.
• Воздействие на здоровье: Несмотря на то, что радиоволновое излучение считается безопасным, длительное воздействие высоких уровней излучения может вызвать различные заболевания и проблемы со здоровьем.
• Экологические ограничения: Использование радиоволн может вызывать помехи для радиоастрономии и мешать работе навигационных систем, особенно в авиационной и морской областях.

В целом, радиоволны являются важным и полезным инструментом в нашей жизни, но их использование должно быть ответственным и осознанным, учитывая их преимущества и недостатки.