Распределение спектра

Распределение спектра 

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света.

 
Радиоволны (радиочастоты), 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:  
 
Слайд 4. 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. 

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 - проводник. 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.

В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места

Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой), лежащей над экватором на высоте 16—18км, в умеренных широтах—на 10—12 км и в полярных областях—на 7—10 км. Высота тропопаузы меняется в зависимости от времени года. В области тропосферы температура воздуха с высотой убывает. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий.

Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50—60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30—35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха

Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 103—106 электронов в 1 см3 воздуха).

Слайд 7 Полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия (дифракция). 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 больше его геометрических размеров (больше 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны) называют земными радиоволнами

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. Это происходит потому, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Слайд 8. 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.

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.

Слайд 9. 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.

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.

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.

  Такое положение наблюдается только в том воображаемом случае, когда атмосфера однородна как по вертикали, так и по горизонтали. В действительности атмосфера неоднородна; ее коэффициент преломления, определяющий скорость распространения радиоволн в пространстве, распределен неравномерно.

В силу этих обстоятельств траектории УКВ оказываются не прямолинейными, а искривленными, главным образом вертикально, хотя возможны и боковые искривления, и дальность радиогоризонта становится несколько большей, чем дальность геометрического горизонта. Это явление искривления называется рефракцией радиоволн.

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, сильно ограничивающей дальность связи.

ПРИМЕНЕНИЕ

СВЕРХДЛИННЫЕ ВОЛНЫ

Сверхдлинные волны — радиоволны с длиной волны свыше 10 км. Они легко огибают Землю, слабо поглощаются земной поверхностью, хорошо отражаются от ионосферы. Способность сверхдлинных волн проникать в толщу морской воды находит своё применение при организации дальней связи с подводными лодками. Сверхдлинные волны способны обогнуть земной шар, что ценно для исследования состояния разных слоёв атмосферы. Их способность частично проникать в морскую воду и в грунт позволяет использовать их для зондирования.

 
 ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ

Длинные волны (также километровые волны) — диапазон радиоволн с частотой от 30 кГц (длина волны 10 км) до 300 кГц (длина волны 1 км). Длинные волны распространяются на расстояния до 1—2 тысяч км за счёт дифракции на сферической поверхности Земли. Диапазон используется для радиовещания (148,5—283,5 кГц;), для радиотелеграфной связи, радионавигационных служб и для связи с подводными лодками (9—148,5 кГц).

 
 СРЕДНИЕ ВОЛНЫ

Средние волны (также гектометровые волны) — диапазон радиоволн с частотой от 300 кГц (длина волны 1000 м) до 3 МГц (длина волны 100 м). Средние волны (наряду с короткими) ― наиболее используемый диапазон для радиовещания (526,5—1606,5 кГц) с амплитудной модуляцией. Сетка частот вещательных станций в Европе составляет 9 кГц, в Северной и Южной Америке ― преимущественно 10 кГц. Средние волны способны распространяться на довольно большие расстояния благодаря огибанию земной поверхности, а также (преимущественно в ночное время) отражаясь от ионосферы. Частота 500 кГц, кроме того — стандартная частота для подачи сигналов бедствия.

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ

Короткие волны (также декаметровые волны) — диапазон радиоволн с частотой от 3 МГц (длина волны 100 м) до 30 МГц (длина волны 10 м). Короткие волны используются для радиовещания, а также для любительской и профессиональной радиосвязи. Для связи между наземными станциями и космическими аппаратами они непригодны, так как не проходят сквозь ионосферу.

Ультракоро́ткие во́лны (УКВ) в современной практике — это радиоволны из диапазонов метровых (МВ), дециметровых (ДМВ) и частично сантиметровых (СМВ) волн. В науке и электронной технике диапазон частот УКВ находится в пределах от 30 МГц (длина волны 10 м) до 3-х Гигагерц (длина волны 0,1 м). Радиоволны УКВ-диапазона распространяются практически в пределах прямой видимости, а также, не отражаясь от ионосферы, уходят в космическое пространство. То есть ионосфера для радиоволн УКВ диапазона прозрачна. Однако, поскольку в пределах прямой видимости может быть естественный спутник Земли Луна, то волны УКВ диапазона могут отразиться от неё и вернуться на Землю, где могут быть принятыми на другом конце земного шара. Таким образом волны УК-диапазона могут использоваться для дальней космической связи, например со спутниками-телескопами.