ЧТО ТАКОЕ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). 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 ученого 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:

Или примерно ,
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 ее отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. 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 идет 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 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.

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.

Распространение коротких и ультракоротких волн.

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, находящимся 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.

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 серьезной 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.

Исторически сложилось так, что радиоволны открыли, когда световые явления были уже довольно хорошо изучены, и когда уже имелась теория Максвелла, которая описывала световые волны как упругие волны в эфире, распространявшиеся в нём с характеристической скоростью c . Когда обнаружилось, что скорость радиоволн совпадает с этой скоростью [Ф2], то на радостях решили, что свет и радиоволны имеют одну и ту же физическую природу, различаясь лишь по своим диапазонам частот. До сих пор в учебниках и справочниках фигурирует «шкала электромагнитных волн», которая охватывает все мыслимые частоты – от нуля до бесконечности. Такое положение дел тем более удивительно, что уже давно известны прямые указания на принципиально разную природу света и радиоволн.

Главное различие между ними в том, что свет – это квантовая передача энергии, а радиоволны – волновая. Заметьте, мы говорим о физической сути этих явлений, а не об их математическом описании. Математически – и свет, и радиоволны можно описать как в терминах волн, так и в терминах квантов: бумага всё стерпит. А физически – есть большая разница. При излучении, распространении и приёме радиоволны возможны подвижки заряженных частиц на частоте волны. Сколь долго работает генератор, непрерывно гоняющий заряды по излучающей антенне, столь же долго трепыхаются заряженные частицы в окружающем пространстве. В случае же со светом, никаких подвижек заряженных частиц на световой частоте – не бывает. Откуда им быть, если механизм передачи энергии совершенно другой? Кстати, даже электрон, со своей малой массой, не мог бы, будучи свободным, колебаться на световых частотах из-за своих инертных свойств. Поначалу полагали, что на такое способны электроны, связанные в атомах – например, согласно модели атома Дж.Дж.Томсона. Но от этой модели отказались в пользу модели Резерфорда-Бора… оформилась концепция фотонов… которые, согласно постановлению Первого Сольвеевского конгресса, излучаются и поглощаются атомами мгновенно . Отсюда следовало, что в атомах никаких колебаний заряженных частиц, задающих частоту фотона, не существует. Видите, к чему пришли сами ортодоксы: в случае радиоволн колебания заряженных частиц есть, а в случае света – нет. Но продолжали приписывать радиоволнам и свету одну и ту же физическую природу. Чтобы было загадочней!

А ведь эта разница между наличием или отсутствием колебаний заряженных частиц обусловлена не просто различием частотных диапазонов – в данном случае, это вопрос принципиальный [Г10]. Навигатор, работу которого мы обрисовали выше (3.4 ), обслуживает только квантовые перебросы энергии, а именно, перебросы квантов энергии возбуждения с атома на атом, но уж никак не с электрона на электрон. Потому что объект, способный приобрести и отдать энергию возбуждения, должен иметь соответствующую структурную организацию, которая обеспечивает внутреннюю степень свободы, допускающую саму возможность энергии возбуждения. А у свободного электрона, который является элементарной частицей, такой внутренней степени свободы нет. Поэтому электрон не может приобрести квант энергии возбуждения и, соответственно, не может отдать его.

Сказанного достаточно для осознания того, что свет и радиоволны – это принципиально различные физические феномены. К вопросу о природе радиоволн мы вернёмся ниже (5.3 ), а сейчас заметим следующее. При сравнении традиционных представлений о свете, как о летящих фотонах, и наших представлениях о нём, как о цепочке квантовых перебросов энергии возбуждения с атома на атом, бросается в глаза их принципиальное различие. В традиционном подходе свет, «выплюнутый» веществом, имеет самодостаточное, независимое от вещества существование: фотон, якобы, способен пролететь в межзвёздном пространстве длинные световые годы, пока не наткнётся на атом, который его поглотит. В нашем же подходе, света в отрыве от вещества не существует, т.к. световая энергия локализована только на атомах, и, при квантовых перебросах с одного атома на другой, она не движется по разделяющему атомы пространству. И вот, раз уж академики зачислили фотон в четвёрку фундаментальных, абсолютно стабильных частиц, то у академиков, в защиту представлений о независимом от вещества существовании фотонов, имеется трогательный мысленный эксперимент. Пусть, дескать, в десяти световых годах от нас сгенерировали мощную вспышку света, после чего излучатель сразу демонтировали… а приёмник мы еле успели построить к концу десятого года – но световой сигнал всё же приняли. Где же, дескать, находилась световая энергия все эти десять лет, когда излучателя уже не было, а приёмника ещё не было? Отвечаем: световая энергия перебрасывалась с атома на атом в межзвёздном пространстве, продвигаясь к строящемуся приёмнику. «Тогда, - торжественно восклицают академики, - предельная интенсивность пропускаемого света определялась бы концентрацией атомов, по которым он «перебрасывается»! Чем меньше была бы эта концентрация, тем хуже пропускался бы свет! А это не так: в лабораториях мы пропускаем сквозь сверхвысокий вакуум лазерные интенсивности!» Да, в лабораториях это получается. Но получается потому, что здесь объёмы со сверхвысоким вакуумом невелики: для атомов-отправителей, находящихся на входном окошке вакуумной камеры, Навигатор успешно находит атомов-получателей на её выходном окошке или на мишени внутри неё. Здесь «лазерная интенсивность» пропускается сквозь короткий участок со сверхвысоким вакуумом так, словно этого участка и нет вовсе. Но если участок со сверхвысоким вакуумом имел бы достаточно большую протяжённость, то всё происходило бы по-другому. Нам представляется логичным, что у Навигатора задан некоторый предельный радиус сканирования пространства в поисках атома-получателя. Если, по достижении этого предельного радиуса, атом-получатель не обнаруживается, то сканирование завершается (и, возможно, сразу же начинается его новый цикл). Тогда, при достаточно большой протяжённости участка пути света сквозь высокий вакуум, именно малая концентрация вещества должна служить ограничителем пропускной способности света этим участком.

И, в самом деле, имеются свидетельства о том, что на космических просторах всё происходит именно так. Почему, например, постоянна «солнечная постоянная», т.е. мощность солнечного излучения, приходящаяся на единичную площадку на радиусе орбиты Земли? Ведь даже в годы активного Солнца, при повышенном пятнообразовании и соответствующем увеличенном выходе энергии наружу, названная мощность, практически, не изменяется [С5]. Этот феномен стабилизации мощности излучения Солнца обычно пытаются объяснить каким-либо присущим Солнцу механизмом автоматического регулирования. Трудно поверить в такой механизм, глядя на видеосъёмки поверхности Солнца: эта поверхность бурлит и извергает чудовищные протуберанцы. Энергия так и рвётся наружу, но что-то её сдерживает. И нам представляется правдоподобной версия о том, что «поток электромагнитной энергии, приходящий от Солнца, стабилизируется ограниченными пропускными способностями сильно разреженной космической среды » [К5]. Будь концентрация атомов в межпланетном пространстве на порядок больше – Солнышко нас сожгло бы. Вот, смотрите: когда большая комета проходила между Солнцем и Землёй и достаточно сильно «газила», её хвост, направленный от Солнца, формировал створ с повышенной концентрацией вещества. Через этот створ Солнце припекало Землю сильнее, чем обычно, что вызывало всплеск климатических аномалий и стихийных бедствий. Похоже, что идущая из глубины веков слава о кометах, как о предвестниках несчастий и катаклизмов, основана не на суевериях, а на реальных причинно-следственных связях.

Но эта история – так сказать, дела давно минувших дней. А есть ли что-нибудь посовременнее, с переднего края науки и техники? А как же! Это – поучительная история о том, как позорно провалилась затея поражать лазерными лучами космические объекты. Ведь сделали образцы боевых газодинамических лазеров, которые прожигают броню и сшибают крылатые ракеты. Правда, это у них получается вблизи поверхности Земли, в условиях стандартной атмосферы. Если исходить из концепции летящих фотонов, то в космосе эти лазеры должны справляться с боевыми задачами ещё лучше. Ан нет. Это только в фильмах и компьютерных играх, фабрикуемых по тематике «звёздных войн», космические корабли в клочья разносятся лазерными лучами. А в реальности оказывается, что лазерный луч, который сквозь воздух прожигает броню, в космосе едва справляется со смехотворной задачей: выведением из строя светочувствительных элементов у спутника-шпиона. Помните, дорогой читатель, был период, когда в средствах массовой информации центральной темой была тема про Стратегическую оборонную инициативу США (СОИ)? Говорили-говорили про эту инициативу, а потом вдруг – раз! – и всё моментально стихло. А позже по центральному телевидению, в программе «Время», прошёл коротенький сюжет: на показательных испытаниях космического боевого лазера, попавший под его луч макет боеголовки и вправду разнесло в клочья – но это оттого, что бравые американские вояки предусмотрительно установили в нём взрывное устройство, и в нужный момент нажали на кнопочку. По-честному у них не получалось: что-то мешало боевым фотонам лететь в космическом вакууме так же лихо, как и вблизи поверхности Земли. Кстати, вопрос о том, почему боевые лазеры не оправдали надежд в космосе, поднимался на специализированных форумах в Интернете. И, знаете, такую постановку вопроса воспринимали серьёзно! Толпа адвокатов начинала отвечать на этот вопрос, изобретая причины получившейся неудачи. Вот, например, одна из их придумок: боеголовка в полёте, видите ли, вращается, поэтому лазерное пятно перемещается по её поверхности, вот лазер её и «не берёт». Ну, прямо незадача: склепали стратегический оборонный лазер, вывели его в космос… и всё рухнуло к чёртовой матери! Никто на переднем крае науки и техники не мог предвидеть, что боеголовка в полёте вращаться будет!

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН - процесс передачи в пространстве эл--магн. колебаний радиодиапазона (см. Радиоволны ).В естеств. условиях Р. р. происходит в разл. средах, напр. в атмосфере, космич. плазме, в поверхностном слое Земли.

Общие закономерности распространения радиоволн . Скорость Р. р. в свободном пространстве в вакууме равна с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 . Р. р. в др. средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с , и в равновесной среде сопровождается поглощением эл--магн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний электронов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (напр., на электрон в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой w пришедшей волны. Колеблющиеся электроны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с др. амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн .

Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону а фаза волны изменяется по закону y = wt - (w/с)nr , где x - показатель поглощения, n - преломления показатель ; n и x зависят от диэлектрической проницаемости e среды, её проводимости s и частоты волн w:

гденаз. тангенсом угла потерь. Фазовая скорость u = с/n , коэф. поглощения Среда ведёт себя как диэлектрик , если и как проводник, еслиВ первом случае во втором -и волна затухает на расстояниях - толщина скин-слоя (см. Скин-эффект) . В среде e ц s являются ф-циями частоты (см. Дисперсия волн) . Вид частотной зависимости е и s определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (напр., при Р. р. в ионосферной и космич. плазме, см. ниже).

При Р. р. в средах, не содержащих свободных электронов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных электронов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную полю волны Е , при этом n > 1, u Ф < с . В плазме поле волны вызывает смещение свободных электронов в направлении E , при этом n < 1 и u Ф > с, т. е. фазовая скорость монохро-матич. волны может быть как меньше, так и больше с . Однако для того чтобы передать при помощи радиоволн к--л. информацию (энергию), необходимо иметь ограниченный во времени радиосигнал, представляющий собой нек-рый набор гармонич. волн. Спектральный состав сигнала зависит от его длительности и формы. Радиосигнал распространяется с групповой скоростью u гр. В любой среде u гр < с .

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс Р. р. в этом случае подчиняется законам геометрической оптики . Однако реальные среды неоднородны. В них п , а следовательно, и u Ф различны в разных участках среды, что приводит к рефракции радиоволн . В случае плавных (в масштабе l) неоднородности справедливо приближение геом. оптики. Если показатель преломления зависит только от высоты h , отсчитываемой от сферической поверхности Земли, то вдоль траектории луча выполняется условие

Соотношение (2) представляет собой Снелля закон преломления для сферическислоистой среды. Здесь R 0 - радиус Земли, f - угол наклона луча к вертикали в произвольной точке траектории. Если вместо действит. показателя преломления га ввести приведённый показатель преломления

то закон преломления (2) получит вид

Соотношение (4) наз. законом преломления Снелля для плоскослоистой среды.

Если n убывает при увеличении h , то в результате рефракции луч, по мере распространения, отклоняется от вертикали и на нек-рой высоте h m становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рис. 1, а). Макс. высота h m , на к-рую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения f 0 и определяется из условия

Рис. 1. а - рефракция радиоволн в плоскослоистой среде с grad n < 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h .

В область h > h m лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости h = h m волновое поле возрастает, а при h > h m убывает экспоненциально (рис. 1, б) . Нарушение законов геом. оптики при Р. р. связано также с дифракцией волн , вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образуется сложное распределение волновых полей. радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел) и особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с l.

Если Р. р. происходит вблизи резкой границы (в масштабе l) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (напр., атмосфера - поверхность Земли или тропосфера - ниж. граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (напр., от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя.

В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн , при к-ром происходит локализация потока энергии между определ. поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (атм. волновод). В средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ - с отражением.

В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l l (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рассеяние света )рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l ! l возникает сильное резонансное рассеяние.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн определяется как электрич. параметрами e и s грунтов и водных пространств, образующих земную кору, так и структурой поверхности Земли, т. е. её кривизной и неоднородностью. Р. р.- процесс, захватывающий большую область пространства, но наиб. существ. роль в Р. р. играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого A и B на расстоянии r расположены передатчик и приёмник (радиотрасса, рис. 2). Большая ось эллипсоида равнамалая ось определяется размерами первой Френеля зоны и Ширина трассы уменьшается с убыванием l. Если высоты z 1 и z 2 , на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли и она не влияет на Р. р. (рис. 2, а) . При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы (или увеличении длины волны) поверхность Земли пересекает эллипсоид. В этом случае на Р. р. оказывают влияние электрич. параметры области поверхности Земли, ограниченной эллипсом сечения, вытянутым вдоль трассы. При сохранении условий и в точке приёма возникает между прямой и отражённой волнами (см. Интерференция волн ).Амплитуда и фаза отражённой волны определяются с учётом Френеля формул для коэф. отражения. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля, к-рая характерна для декаметровых и более коротких радиоволн. Если z 1 /l < 1 и z 2 /l < 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r + l(p/4) и

Рис. 2. Эллипсоидальная область пространства, существенная при распространении радиоволн (радиотрасса); А - излучатель; В - приёмник.

Уменьшение напряжённости поля, а следовательно, и потока энергии, переносимого радиоволной вдоль поверхности Земли (земной волной) , обусловлено проводимостью поверхности в этой области. При P.p. вдоль проводящей поверхности возникает поток энергии, направленный в проводящую среду и быстро затухающий по мере распространения в ней. Глубина проникновения радиоволны в земную кору определяется толщиной скин-слоя и, следовательно, увеличивается с увеличением длины волны. Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются длинные и сверхдлинные радиоволны.

Рис. 3. Дальность "прямой видимости" r ограничена выпуклостью земной поверхности; R 0 - радиус Земли, z 1 , и z 2 , - высоты передающей А и приёмной В антенн соответственно.

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из точки приёма В "виден" передатчик А (область "прямой видимости", рис. 3). Однако радиоволны, огибая Землю в результате дифракции, могут проникать в область тени на большее расстояние(R 0 - радиус Земли). Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4).

Рис. 4 . График, иллюстрирующий связь дальности r распространения от величины W = 20lg|E/E * | , где E - напряжённость поля радиоволны в реальных условиях распространения с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли); Е * - напряжённость поля для разных частот без учёта дифракции.

Фазовая скорость земных волн вблизи излучателя зависит от электрич. свойств. Однако на расстоянии в неск. l от излучателя u ф! с . Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхностью, напр. сначала над сушей, а затем над морем, то при нересечении береговой линии резко изменяются амплитуда и направление Р. р. (береговая рефракция, рис. 5).

Рис. 5. Изменение напряжённости электрического поля волны при пересечении береговой линии.

Влияние рельефа земной поверхности на Р. р. зависит от высоты неровностей h , их горизонтальной протяжённости l , l и угла q падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что kh cosq < < 1 (k - волновое число), и выполняется т. н. критерий Рэлея k 2 l 2 cosq < 1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h > l "возмущают" волновое поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ретранслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 6).

Распространение радиоволн в тропосфере. Тропосфера - область атмосферы, расположенная между поверхностью Земли и тропопаузой, в к-рой темп-pa воздуха обычно убывает с высотой (в тропопаузе темп-ра с высотой увеличивается). Высота тропопаузы на земном шаре неодинакова, над экватором она больше, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, изменяется скачкообразно. Тропосфера состоит из смеси нейтральных молекул и атомов газов, входящих в состав сухого воздуха, и паров воды. Диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и показатель преломления газа, не содержащего свободных электронов и ионов, обусловлены дополнительными полями, создаваемыми смещением электронов в молекулах ( сухого воздуха) я ориентацией полярных молекул (пары воды) под действием электрич. поля волны.

Показатель преломления тропосферы

где p - давление сухого воздуха, е - давление водяного пара в миллибарах, Т - темп-pa. Показатель преломления не зависит от частоты и очень мало отличается от единицы. Так, у поверхности Земли с увеличением высоты происходит изменение параметров р, Т, е , определяющих значение показателей преломления. При нормальных метеорологич. условиях показатель преломления уменьшается с высотой:

Это приводит к искривлению траектории лучей. Для правильной оценки положения луча относительно поверхности Земли необходимо учитывать сферичность её поверхности, что можно сделать, вводя приведённый показатель преломления (3):

отличающийся от grad n не только по абс. величине, но и по знаку. В условиях нормальной тропосферной рефракции grad n пр > 0. В этом случае луч, вышедший из приподнятого над землёй излучателя под углом к вертикали, при распространении приближается к ней. При распространение лучей происходит в сторону уменьшающихся значений n пр. При этом, в зависимости от значений f 0 , луч может достигнуть поверхности Земли и отразиться от неё, достигнуть точки поворота, определяемой из условия (5), и при нек-ром значении угла f 0 точка поворота может лежать на поверхности Земли. В этом случае траектория луча является границей между областью, в к-рую могут попасть лучи, и областью тени. Нормальная тропосферная рефракция способствует увеличению области прямой видимости.

Метеорологич. условия существ. образом влияют на изменение показателя преломления, т. е. и на рефракцию радиоволн. Обычно в тропосфере давление воздуха н темп-pa С высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. При нек-рых метеорологич. условиях, напр. при движении нагретого над сушей воздуха над более холодной поверхностью моря, темп-ра воздуха с высотой увеличивается, а давление водяного пара уменьшается (инверсия темп-ры и влажности). В этом случае показатель преломления изменяется с высотой не монотонно, т. е. dn пр /dh на нек-рой высоте может изменить знак. Если в интервале высот, определяемом толщиной слоя инверсии, то gradn np <0. В плоскослоистой среде с grad n пр < О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dn пр /dh изменяет знак, возникают условия для волноводного распространения (рис. 7). В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с l < 1 м.

Рис. 7. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота волны w совпадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резонансное поглощение). Молекулы получают от приходящей волны энергию, к-рая превращается в теплоту p только частично передаётся вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: l = 1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и l = 0,5 см, 0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (окна прозрачности).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. Турбулентность ).Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на расстояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 8). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна, и на их распространение влияют земная поверхность и более высокие слои атмосферы.

Рис. 8. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.

Распространение радиоволн в ионосфере. Ионосферу образуют верх. слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) ионизированы под влиянием УФ-, рентг. и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное кол-во положит. и отрицат. частиц, т. е. является плазмой. Достаточно большая , оказывающая влияние на Р. р., начинается на высоте 60 км (слой D ), увеличивается до высоты 300-400 км, образуя слои Е. F 1 , F 2 , и затем медленно убывает. В гл. максимуме концентрация электронов N достигает 10 6 см -3 . Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизиров. слой между 200 и 400 км состоит в осн. из равного кол-ва ионов О + и электронов. Эти частицы погружены в нейтральный газ с концентрацией 10 8 см -3 , состоящий в осн. из частиц О 2 , О, N 2 и Не.

В многокомпонентной плазме, содержащей электроны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. Земной магнетизм) , могут возникать разл. виды собств. колебаний, имеющих разные частоты. Напр., плазменные (ленгмюровские) частоты электронов и ионов ги-ромагн. частоты электронов и ионов где т, М - массы электрона и иона, е - их заряд, N - концентрация, Н 0 - напряжённость магн. поля Земли. Т. к. то . Напр., для электронов=1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода= 54 Гц.

В зависимости от частоты w радиоволны осн. роль в Р. р. играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких w ионы не успевают следовать за изменениями поля и в Р. р. принимают участие только электроны. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы происходят в про-тивофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрич. полю волны Е. Поэтому диэлектрич. проницаемость ионосферы e < 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Учёт соударений электронов с атомамии ионами даёт более точные ф-лы для e и s ионосферы:

Здесь v - эфф. частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы и показатели преломления h и поглощения приближённо равны:

Поскольку h < 1, фазовая скорость Р. р. УФ = = с/п > с , групповая скорость u гр = с/n < с .

Поглощение в ионосфере пропорц. v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энергии, получаемой электроном из волн, переходит в тепло. Поэтому поглощение больше в ниж. областях ионосферы (слой D) , где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и распространяются на большие расстояния.

Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере распространяются только радиоволны с частотой w > w 0 . При w < w 0 показатель преломления становится чисто мнимым и эл--магн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w 0 и n = 0. В ниж. части ионосферы электронная концентрация и w 0 увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением w посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. частота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. критич. частотой слоя:

Критич. частота слоя F 2 (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3-5 до 10 МГц). Для волн с показатель преломления не обращается в нуль и падающая вертикально волна проходит через ионосферу, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В ниж. части ионосферы gradM -1 , т. е. поэтому gradи траектория луча отклоняется по направлению к Земле (рис. 9). Радиоволна, падающая на ионосферу под углом f 0 , поворачивает к Земле на высоте h , для к-рой выполнено условие (5). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом (т. е. для данной дальности трассы), равнаи наз. максимально применимой частотой (МПЧ). Волны с отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что используется для дальней радиосвязи.

Рис. 9. Схематическое изображение радиолучей определённой частоты при различных углах падения на ионосферу.

Рис. 10. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой: а - много-скачковая траектория; б - скользящая траектория.

Вследствие сферичности Земли величина угла f 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы3500-4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли ("скачков", рис. 10,а ). Возможны и более сложные волноводные траектории, возникающие за счёт горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при Р. р. с частотой w> w МПЧ. В результате рассеяния угол падения луча на слой F 2 оказывается больше, чем при обычном распространении. Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F 2 , пока не попадёт в область с таким градиентом N , к-рый вызовет отражение части энергии назад к Земле (рис. 10, б) .

Влияние магнитного поля Земли Н 0 . В магн. поле Н 0 на электрон, движущийся со скоростью u , действует Лоренца сила под влиянием к-рой он вращается по окружности в плоскости, перпендикулярной Н 0 , с гиромагн. частотой w H . Траектория каждой заряж. частицы - винтовая линия с осью вдоль Н 0 . Действие силы Лоренца приводит к изменению характера вынужденных колебаний электронов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионосфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления Р. р. и описываются не скалярной величиной e, а тензором диэлект-рич. проницаемости . Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление ,т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Если направление Р. р.то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн си. Для первой, "необыкновенной", волны (е )характер вынужденного движения электронов под действием поля волны Е изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная Е )и поэтому изменяется п . Для второй, "обыкновенной", волны (о ) вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н 0 (присила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соударений) квадраты показателей преломления равны

При Р. р. вдоль

В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у "необыкновенной" волны вектор E вращается в сторону вращения электрона, а у "обыкновенной" - в противоположную сторону. При произвольном направлении Р. р. (относительно Н„) поляризация нормальных волн эллиптическая.

По мере Р. р. в ионосфере увеличивается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Напр., при P.p. вдоль Н 0 это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект ),а при Р. р. перпендикулярно Н 0 - к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. Коттона - Мутона эффект) , Т. к. показатели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 11). Направление k при Р. р. в ионосфере может отличаться от u гр.

Рис. 11 . Расщепление радиоволны в результате в ионосфере.

Низкочастотные волны в ионосфере. Осн. часть энергии НЧ-радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её ниж. границы (днём - вследствие сильной рефракции в D -слое, ночью - от E-слоя , как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит Р. р. Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной "фокусировке" поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту "шепчущей галереи". Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

Влияние магн. поля Земли обусловливает ряд особенностей распространения НЧ-волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 12). Из ф-лы (8) видно, что при в случае продольного распространения нигде не обращается в 0, т. е. волна проходит через ионосферу без отражения. В ночной атмосфере приближение геом. оптики нарушается и частичное прохождение есть при любом угле падения. Разряды молний · в атмосфере - естеств. источник НЧ-волн. В диапазоне 1-10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков ,к-рые распространяются указанным образом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.

Рис. 12 .

При Р. р. инфразвуковых частот с w " W H важную роль играют колебания ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение к-рой описывается ур-ниями магнитной гидродинамики . В ионосфере возможно распространение неск. типов маг-нитогидродинамич. волн, в частности альвеновских волн , распространяющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью(где r - плотность газа), и магнитозвуковых волн, к-рые распространяются изотропно (подобно звуку).

Нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосфере проявляются уже для радиволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. Нелинейная оптика )."На-гревная" нелинейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов. Т. к. длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от электронов к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно "разогреваются" уже в сравнительно слабом электрич. поле, что изменяет эфф. частоту соударений. Поэтому b и s плазмы становятся зависящими от поля Е волны и Р. р. приобретает нелинейный характер. "Возмущение" диэлектрич. проницаемости

Где - характерное "плазменное" поле, Т - темп-pa плазмы, d - ср. доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей, - частота соударений.

Т. о., нелинейные эффекты становятся заметными, когда поле волны E сравнимо с E p , к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет ~10 -4 -10 -1 В/см.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением темп-ры электронов может как расти (в ниж. слоях, где осн. роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны ("насыщение" поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. и. просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение h в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.

Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа .В частности, если мощная волна с частотой w 1 модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой w 2 , проходящей в той же области ионосферы (рис. 13) Это явление, называемое кросс модуляцией или Люксембург-Горьковским эффектом , имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне ср. волн.

Рис. 13 . Ионосферная кроссмодуляция происходит в области пересечения лучей.

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в КВ-диапа-зоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы (см. Параметрический резонанс) . В области образуются сильно вытянутые вдоль Н 0 неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным - 0,5100 м), к-рые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн электроны столь сильно разогреваются, что возникает электрич. пробой газа.

Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега электронов, нагревная нелинейность становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. стрикционная нелинейность, связанная с тем, что неоднородное перем. электрич. поле волны оказывает давление на электроны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация электронов N , а следовательно, e и s становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости меньшей нагревного изменения на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионосферы.

Распространение радиоволн в космических условиях. За исключением планет и их ближайших окрестностей, б. ч. вещества во Вселенной ионизована. Параметры космич. плазмы меняются в широких пределах. Напр., концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли ~1-10 см -3 , в ионосфере Юпитера ~10 5 см -3 , в солнечной короне ~10 8 см -3 , в недрах звёзд~10 27 см -3 . Из космич. пространства к Земле приходит широкий спектр эл--магн. волн, к-рые на пути из космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: "радиоокно" соответствует диапазону от ионосферных критич. частот w кr до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц - 20 ГГц), "оптич. окно" охватывает диапазон видимого и ИК-излучения (1-10 3 ТГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне НЧ (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

В космич. условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся один относительно другого. В результате Доплера эффекта это приводит к изменению w на , где u - относит. скорость. Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение )свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в космич. плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рис. 14). Напр., вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов Солнца и планет необходимо учитывать, что в космич. плазме

Рис. 14. Траектории радиолучей с l = 5 м в солнечной короне.

Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в космич. пространстве или на др. планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если космич. плазма находится в магн. поле (магнитосфера Юпитера, области солнечных пятен, магнитосферы пульсаров), то она является гиротропной средой, подобно земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе космич. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на Р. р. оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 15) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.

Рис. 15. Зависимость дальности r радиосвязи на поверхности Луны от частоты w/2p.

Распространение радиоволн разных диапазонов. Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и низких (30- 300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, включая полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атм. помех. Полоса частот от 150 до 300 кГц используется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполняется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые генерируются, напр., молниевыми разрядами и частицами радиац. поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона обусловлены громоздкостью антенных систем с высоким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации.

Средние волны (300-3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная, или прямая, волна). Отражённая от ионосферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в D -слое ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения D -слой исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от E -слоя, и дальность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна - источник помех для мн. служб, использующих распространение земной волны. Ср. волны применяются для радиовещания, радиотелеграфной и радиотелефонной связи, радионавигации.

Короткие волны (3-30 МГц) слабо поглощаются D - и Е -слоями и отражаются от F-слоя , когда их частотымпч. В результате их отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Этот диапазон применяется для радиотелефонной и радиотелеграфной связи, радиовещания, а также для радиолюбительской связи. Особенность радиосвязи в этом диапазоне - наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интер-ференц. эффектов. КВ-линии связи подвержены влиянию атм. помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Для очень высоких частот и УКВ (30 - 1000 МГц) преобладает Р. р. внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в НЧ-части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды Р. р., за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиовещания при дальности 50-100 км. Радиовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц.

В этом же диапазоне частот ведётся телевиз. вещание. Для радиоастрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые используют также для космич. связи, радиолокации, метеорологии, кроме того, для любительской связи.

Волны УВЧ и СВЧ (1000-10 000 МГц) распространяются в осн. в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при Р. р. играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (напр., линии водорода вблизи 1420 МГц). В этом диапазоне размещены многоканальные системы широкополосной связи для передачи телефонных и телевиз. сигналов. Высокая направленность антенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи ~ 800 км. Этот диапазон применяют в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономич. наблюдений выделены полосы частот за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. В космич. радиосвязи полоса частот ~ 1000- 10 000 МГц - наиб. важная часть радиодиапазона.

Волны СВЧ (>10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Роет потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем. СВЧ служат в радиолокации, радионавигации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться частоты < 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

Лит.: Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Fок В. А., Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн, М., 1970; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Железняков В. В., Электромагнитные волны в космической плазме, М., 1977.

П. А. Беспалов, М. Б, Виноградова .

В данной статье расскажем вам про радиоволны и свойства их распространения.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Начнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром .

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

– синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ . Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в мощности колебаний и длине волны. В частности Тесла имел дело с радиоволнами. Фактически он и является изобретателем радио, а не Маркони с Поповым. Последние смогли описать радиоволны, поэтому их и считают изобретателями радио. Тесла был первооткрывателем, но у него в те времена не было научных объяснений, которые намного позже появились у Попова и Маркони. Кроме того, они использовали радиоволны в практических полезных целях. Тесла, в своё время писал о переносе информационного сигнала с помощью передатчика и приемника, но увлёкшись молниями, дойти до изобретения их практических устройств просто не успел. Резонный вопрос, а что же колеблется в электромагнитных волнах? Отвечу, далеко не углубляясь в ядерную физику, это фотоны – сгустки энергии, обладающие электромагнитным полем, но не обладающие массой. Именно эти свойства позволяют фотонам быть переносчиками энергии. Учёные-ядерщики и дальше «раскладывают» фотоны на составляющие элементы. Мы не будем продолжать этот ход мыслей, пожелаем им успехов, потому что это не по теме статьи. Если Вы противник считать что «эфир», это – электромагнитные волны, тогда попытайтесь принять, что «эфир» это – фотоны, а электромагнитные волны, это по своей сути — направленный поток фотонов.

Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну. Первым действующим источником радиоколебаний, изобретённым человеком и используемым с очевидным и рациональным успехом, был радиопередатчик-радиоприёмник Маркони (или Попова), использующий в качестве высокочастотного генератора – высоковольтный накопитель с искровым разрядником, подключенным на антенну — обыкновенный вибратор Герца.

Свойства распространения электромагнитных волн

Дальность распространения электромагнитной волны зависит от частоты колебания переменного электрического тока (электромагнитного колебания). На частотах от единиц до тысяч Герц, соответствующих звуковому диапазону волн, электромагнитная волна, созданная в пространстве с помощью индуктивности, распространяется на расстояние, не превышающее одного-двух десятков метров, поэтому полезного практического применения не имеет. На частотах от сотен килогерц и выше, что соответствует диапазонам радиоволн, электромагнитная волна способна распространяться более чем на тысячи километров.

Дальность распространения электромагнитной волны так же зависит от мощности протекающего по проводнику тока. Как было указано ранее, низкочастотная электромагнитная волна полезного практического применения не имеет, но зато имеет вредное влияние. В качестве примера вредного влияния можно привести влияние высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) с напряжением в несколько десятков тысяч вольт на радиоприёмник проезжающего мимо автомобиля. Вокруг высоковольтных проводов формируется мощное электромагнитное поле, которое значительно превосходит по амплитуде электромагнитные колебания удалённых радиостанций и в приемнике вместо радиостанции слышен низкочастотный гул сетевого напряжения. Другой случай, когда происходит «глушение» радиоприёмника вблизи силовых линий электропередач при сетевом напряжении всего в 380 вольт, но токе свыше 100 ампер. В первом случае у нас большое напряжение, а во втором — большой ток. Из учебника физики средней школы известно, что мощность электрического тока в проводнике связана с напряжением и током через выражение Р=U*I . А чем больше мощность, тем дальше распространение электромагнитного поля и как следствие – электромагнитной волны, образуемой электромагнитным полем. Этим и объясняется влияние мощности на дальность распространения.

Почему волна, про которую здесь пишется, называется электромагнитной? Потому, что она состоит из электрического и магнитного синусоидального колебания. Эти два вида колебаний ориентированы в пространстве друг относительно друга перпендикулярно – ровно на 90 градусов.
Когда электрическая волна «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную горизонтальную поляризацию .

Когда электрическая волна «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную вертикальную поляризацию .

Если электрическая волна (соответственно и магнитная волна) имеет наклон относительно линии горизонта – угол не равный нулю или 90 градусов, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную наклонную поляризацию .

Существует так же другой вид поляризации, используемый для повышения дальности передачи (приема) и лучшей помехозащищённости радиоприёмной аппаратуры – круговая поляризация – вид поляризации электромагнитной волны, при котором за один период электромагнитного колебания радиоволна делает полный оборот на 360 градусов. Один из видов круговой поляризации – эллиптическая поляризация — «приплюснутая» в одной из плоскостей круговая поляризация.

Все указанные виды поляризации определяются устройством и ориентированием радиоантенны.

Практическая важность поляризации заключается в том, что если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой, или её вообще не будет.

Примером использования поляризации света – как вида электромагнитных колебаний является 3D-кинотеатр. Принцип действия систем 3D-видеоизображения основан на следующем: Фильм снимается на кинокамеры (видеокамеры) разнесённые в пространстве, как два глаза человека. При его показе в кинотеатре, два независимых проектора закрываются поляризационными светофильтрами, точно такие же светофильтры в виде плёнок стоят в очках кинозрителей. Правый проектор и правый глаз зрителя прикрыты светофильтром с вертикальной поляризацией, а левый проектор и глаз – фильтром с горизонтальной поляризацией. Таким образом, правый глаз видит картинку от правого проектора, а левый глаз от левого. В качестве фильтров могут использоваться и другие варианты разделения световых волн, но статья не об этом, поляризация света – один из способов селекции электромагнитных волн.

Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек . В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра – 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Типичным примером этому является микроволновая печь, разогревающая молекулы воды, содержащиеся в подогреваемой пище. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Немаловажным, являются свойства радиоволн распространяться в зависимости от их длины волны. Напомню, длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света):

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ» , включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ» .

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию, что на английском звучит — amplitude modulation «АМ» . Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит — frequency modulation , и у буржуев обозначаются как — «FМ» (по нашему «ЧМ» ).

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).

Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее(лучше по прямой) радиоволна распространяется.

Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.

Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.

Короткие волны распространяются «скачками», периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности.

Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна.

Простым примером использования длинноволнового диапазона является радиосвязь с подводными лодками. Для того, чтобы не быть замеченной противником выходя на связь с командованием флота, лодка всплывает на очень короткое время. Но если бы волны, используемые для связи с подводной лодкой распространялись бы «скачками», то не в любой точке земного шара была бы связь. А на практике, в каком бы месте земного шара лодка бы не всплыла, связь появляется сразу. Конечно в последнее время с развитием техники, подводные лодки используют различные диапазоны, в том числе космическую связь (через спутники связи) на СВЧ-диапазоне.

Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

От одного и того же радиопередающего устройства радиоволны отраженные от земной поверхности могут встретиться с неотражёнными волнами, или волнами, отражёнными от другого участка земной поверхности, или верхних слоёв атмосферы. В этом случае, происходит синфазное сложение радиоволн , или противофазное вычитание . В результате, в вертикальной плоскости пространства образуется изрезанная косекансная диаграмма направленности антенны. При синфазном переотражении радиоволн от земной поверхности на этих участках образуются зоны максимального переотражения – зоны Френеля . Если радиопередатчик имеет всенаправленную антенну (например штыревую), то зоны Френеля будут представлять из себя много колец на поверхности земли различного диаметра, в центре которых находится антенна. Диаметр колец может быть от десятков метров, до нескольких километров.

Для Вашей эрудиции: До военной агрессии в Югославии, американцы придавали большое значение противорадиолокационным ракетам, как средству уничтожения радаров противника. Противорадиолокационная ракета имеет самонаводящуюся радиоголовку, которая наводит ракету на сигнал радара. Но после этой своей миротворческой операции по превращению Югославии в марионеточное государство, они стали перевооружаться на ракеты с тепловыми головками самонаведения. Оказалось, что головки самонаведения противорадиолокационных ракет наводились на зоны Френеля, которые у вращающегося радара всё время меняются, в результате чего вычислитель ракеты не правильно определял координаты радара, и в лучшем случае ракета падала в одну из зон Френеля. Так, купленный у Советского Союза ещё в 80-х годах радар метрового диапазона волн, более 50 суток войны надежно обеспечивал Югославские ПВО информацией о полётах американцев. С его помощью был сбит не один чудо-самолёт-невидимка звёздно-полосатых. А по телевизору как обычно – врали, что американцы потерь не несут.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Влияние типа используемой антенны на качество и направленность приема (излучения) радиоволн

Куда и как будет распространяться радиоволна, определяется размерами и формой антенны-излучателя радиоволн. Самой простой радиоантенной является Вибратор Герца . Это элементарный «кубик», который является основой для построения всех типов антенн.

Вибратор Герца – это два проводника, расходящиеся в противоположные стороны от «точки подключения энергии». По своей сути это «развернутый» колебательный контур. Для лучшего излучения радиосигнала, расстояние от конца одного проводника до конца другого должно быть равно половине длины волны излучаемого (или принимаемого) электромагнитного колебания. Это необходимо для того, чтобы на концах вибратора была максимальная разность потенциалов напряжения сигнала, а в центре вибратора – максимальная амплитуда тока. Правда необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая намного меньше чем в вакууме. В зависимости от частоты сигнала и металла, из которого изготовлен вибратор коэффициент укорочения может быть в пределах от 0,65 до 0,85. То есть вибратор должен быть равен половине длины волны, помноженной на коэффициент укорочения.

Для уменьшения габаритов антенны иногда используется вибратор, по длине равный одной четвёртой длины волны. Могут использоваться и другие соотношения, но при этом, качество приёма (передачи) и направленные свойства антенны изменяются.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет форму тороида вращения – форму «бублика». Если вибратор расположить горизонтально относительно земли, то зоны максимального приема (передачи) будут на линии перпендикулярной вибратору, а зоны минимального приема по торцовым сторонам вибратора. Но учтите, это без учёта влияния переотражения от земли. Если учитывать влияние переотражения от земной поверхности, проекция диаграммы направленности антенны (ДНА) вибратора окажется слегка вытянутой в направлениях максимумов.
На рисунке изображены тороид вращения и проекция диаграммы направленности антенны на горизонтальную поверхность с учётом влияния земли.

– это видоизменённый вибратор Герца, у которого в качестве одного проводника используется сам штырь, а в качестве другого противовес – кусок свисающего вниз провода, человек, у которого в руках мобильная рация, или поверхность земли. Диаграмма направленности штыревой антенны, это тот же торроид, находящийся в горизонтальной площади, только за счёт отражения от земли торроид приплюснут снизу. Зона максимального приёма будет во все стороны, а минимального – над штыревым вибратором. Зону минимального приема, находящуюся над антенной называют – мёртвая зона , или мёртвая воронка .

В зависимости от соотношения длины штыревой антенны к длине волны, диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости так же изменяется. На рисунке схематично изображено, влияние отношения длины штыря к длине волны на формирование диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

Если антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны . Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

Именно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

Следующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора . Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал» , состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка , в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения , или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель» . Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

Радиоволны излучаемые антенной представляют собой электромагнитные и магнитные поля. Скорость распространения радиоволн в пространстве 300000 км/с. Длина волны λ (м) и частота f (МГц) связаны между собой соотношением:λ=300/f.

Такое соотношение удобно для практики, поэтому радиовещательные станции работают в диапазонах:

• километровых — 30…300кГц
• гектаметровых — 300кГц…3МГц
• декаметровых — 3…30МГц
• метровых — 30…300МГц

Телевизионное вещание ведется в метровом и дециметровом диапазоне от 300…3000МГц.
Диапазон принимаемый приемника звукового вещания распределен так:

• ДВ — 148..285кГц(2027…1057м)
• СВ — 525…1607кГц(571,4…186,7м)
• КВ — 3,95…26,1МГц(75,9…11,49м)
• УКВ — 65,8…74МГц(4,56…4,06)
• FM — 87,5…108МГц(3,4…2,78)

КВ диапазон разбит на поддиапазоны:

• 3,95…4МГц(75м)
• 5,95…6,2МГц(49м)
• 7,16…7,36МГц(41м)
• 9,5…9,775МГц(31м)
• 11,7…11,975(25м)
• 15,1…15,45МГц(19м)
• 17,7…17,9МГц(16м)
• 21,45…21,75МГц(13м)
• 25,6…26,1МГц(11м)

В диапазоне ДВ,СВ, КВ ведется вещание с использованием амплитудной модуляции (АМ), а в диапазоне УКВ и FM с использованием частотной модуляции (ЧМ и разновидность частотной фазовая ФМ)

Радиосвязь может осуществляться с помощью поверхностных и пространственных радиоволн.

Поверхностная радиоволна распространяется вдоль земной поверхности. Благодаря дифракции (Дифракция волн — нарушение прямолинейности распространения и сопутствующие ему интерференционные явления) она огибает неровности земного шара и распространяется на расстояния превышающие дальность прямой видимости.

Дифракция радиоволн возникает при встрече радиоволн с препятствием, отклоняясь от прямолинейного пути. Чем ниже частота сигнала, тем больше дальность распространения радиоволн.

Пространственная волна распространяется путем однократных или многократных отражений от ионосферы и земли.

В ДВ диапазоне устойчивый прием ведется на расстояние до 2500…3000км. Качество приема практически не зависит от времени суток и года. Но в этом диапазоне имеется высокий уровень атмосферных и промышленных шумов. В этом диапазоне можно разместить мало станций., так как радиопередатчики модулируют узким диапазоном частот до 7 кГц и используют их в основном для речевого вещания. Передача музыки и ДВ диапазоне будет иметь не высокое качество, за счет ослабления верхних частот спектра.

СВ диапазон — в нем расположено большое кол-во радиостанций, полоса частот модуляции не более 10кГц. Качество музыкальных передач то же будет не достаточно высоким. За счет поверхностной волны удается обеспечит надежный прием до 1000 км, а в темное время суток дальность связи увеличивается за счет отраженных от ионосферы (пространственных радиоволн). Так же в зимнее время происходит улучшение дальности приема, за счет уменьшения поглощения радиоволн земной поверхностью. В этом диапазоне имеет место замирание сигнала (Замирания – это снижение уровня сигнала на входе приемника, связанные с изменениями факторов внешней среды и условий распространения радиоволн). На расстояниях, где в течении круглых суток доминирует поле поверхностной волны, замирание отсутствует. Далее расположена зона ближних замираний, где с наступлением темноты принимаемое поле является результатом интерференции соизмеримых по амплитуде поверхностной и пространственной волн. Последняя в следствии нерегулярных флюктуаций (Флуктуация - термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение) в ионосфере непрерывно изменяет свою фазу.

Интерференция радиоволн — это взаимное наложение радиоволн, приходящих в точку приема разными путями. Если амплитуды радиоволн одинаковы, то при совпадении их фаз результирующее поле удваивается, а при противоположной фазе — равно нулю, поэтому радиоволны приходящие к точке приема имеющие примерно одинаковую амплитуду но противоположные по фазе вызывают замирание сигнала.

В КВ диапазоне поверхностные волны сильно поглощаются почвой, по этому надежный прием возможен на расстояние не более 100км, так же из-за большой загруженности этого диапазона и высокого уровня помех от радиостанций вещание в КВ диапазоне чаще всего применимо в труднодоступных районах, где УКВ, CВ и ДВ оказываются не пригодными из-за ограниченного радиуса действия. Вещание в КВ диапазоне в определенной местности происходит с помощью отраженных от ионосферы волн. Электронная плотность ионосферы меняется в зависимости от времени суток и сезона, и замирание имеют интерференционное и поляризационное происхождение. Днем хорошо принимаются радиостанции работающие на более коротких волнах(25м и меньше), а ночью более оптимально использовать 75..31м под диапазон.

В УКВ и FM диапазонах применяется частотная модуляция и относительно низкий уровень помех позволяют получит высококачественный прием.
Из-за малой длины волны радиоволны распространяются только на расстояние прямой видимости. Если на пути радиоволны будет препятствие, то напряженность электромагнитного поля резко убывает.
Если предположить что поверхность земли имеет идеальную сферическую форму без препятствий для радиоволн на своей поверхности то можно рассчитать дальность связи при примой видимости:

где н1- высота передающей антенны в м, н2 — высота приемной антенны в м.

На рисунке показан пример приема радиоволн в трех точках.

В реальных условиях УКВ радиосигнал обладает большой способностью огибать препятствия. Земная поверхность существенно влияет на напряженность поля в месте приема. Если антенны приподняты на гладкой поверхностью земли, то последняя отражает радиоволны подобно, как зеркало отражает свет. В итоге к приемной антенне приходят 2-е волны — прямая и отраженная. Они будут разными по амплитуде и фазе, но если они придут в точку приема в одинаковой фазе то напряженность поля увеличится.

Больше всего интересует вопрос распространения УКВ и FM над неровной поверхностью, над такой местностью отраженный от земли сигнал будет ослаблен, так как земная поверхность представляет для сигнала кривое зеркало. Помимо всего в точки приема сигнала помимо основного сигнала могут отраженные волны.

На рисунке показан пример распространения радио волн с реальным профилем местности.

В начале местность ровная и напряженность поля убывает плавно, на расстоянии 8 км местность приподнимается и напряженность поля растет. За холмом напряженность поля резко падает, это область тени. За следующим холмом напряженность поля немного выше, чем поле которое должно быть над ровной поверхностью. Это происходит благодаря тому что данный холм своими геометрическими размерами работает как ретранслятор. Падающие на него волны он переизлучает во все стороны, в том числе и в область тени.
Однако далее напряженность поля быстро уменьшается по мере увеличения расстояния, и тем быстрее чем короче волна. При высоте приемной антенны 10..20м напряженность дифракционного поля на расстояниях 100…150 км очень мала по сравнению с напряженность поля полученной благодаря дальнему тропосферному распространению УКВ и FM. Благодаря тропосферному распространению радиоволн зона прямой видимости расширяется на 20%. Но тем не менее из-за неоднородности тропосферы радиоволны приходят в точку приема со случайной фазой и амплитудой, что часто вызывает замирание сигнала, при этом практически вся излучаемая энергия метрового диапазона проникает через толщину тропосферы и не возвращается на землю.

Большая неоднородность поля в различных точках приема обусловлена интерференцией большого числа волн отраженных от различных препятствий, пример этого распространение волн в пределах города. Уровень отраженных сигналов в пределах города может составлять 50-60% от прямого сигнала.

Наличие отраженных волн приводит так же к изменению поляризации первичного поля:

Поляризация - для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:
Линейную поляризацию - в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
Круговую поляризацию - правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
Эллиптическую поляризацию - случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.
Некогерентное излучение может быть не поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Так например если передающая антенна излучала волны с горизонтальной поляризацией, то при приеме в городских условия обнаруживается вертикальная составляющая, уровень которой в среднем составляет 30% от уровня горизонтальной составляющей.

Используемая литература и др. источники:

В.В. Бессонов — Электроника для начинающих (и не только)
http://ru.wikipedia.org