Для школьников (по материалам учебной литературы).
В предыдущей статье подробно рассматривался процесс радиотелефонной связи, когда речь человека в микрофон на радиостанции воспроизводилась в телефоне (громкоговорителе) приёмного устройства.
Была дана схема и блок-схема радиосвязи (поместим их снова), включающая в себя радиопередатчик и радиоприёмник.
Коротко процесс радиотелефонной связи можно описать так.
В микрофоне механические звуковые колебания превращаются в электрические колебания звуковой частоты.
В модулирующем устройстве электрические колебания звуковой частоты накладываются на колебания высокой несущей частоты генератора (получаются модулированные по амплитуде колебания).
Полученные модулированные колебания передаются в передающую антенну А1.
Передающая антенна излучает модулированные электромагнитные волны, а антенна приёмника А2 принимает эти модулированные волны.
В радиоприёмнике происходит процесс демодуляции, т. е. отделение модулирующих колебаний звуковой частоты от высокочастотных колебаний с несущей частотой.
Модулирующие колебания после их усиления и выпрямления подаются на воспроизводящее устройство (телефон, громкоговоритель).
Теперь рассмотрим ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ АНТЕННЫ ПЕРЕДАТЧИКА ДО АНТЕННЫ РАДИОПРИЁМНИКА.
Распространение радиоволн
Радиоволнами называют электромагнитные волны, используемые в радиотехнике. Они охватывают очень широкую область длин волн и частот.
Радиоволны принято делить на сверхдлинные, длинные, средние, короткие и т. д. (см. таблицу).
Сверхдлинные волны (СДВ) - это электромагнитные волны длиной более 10 км и частотой менее 30 кГц.
Длинные волны (ДВ) - это волны длиной от 1 км до 10 км и частотой от 30 кГц до 300 кГц.
Средние волны (СВ) - это волны длиной от 100 м до 1 км и частотой от 300 кГц до 3 МГц.
Короткие волны (КВ) - это волны длиной от 10 м до 100 м и частотой от 3 МГц до 30 МГц.
Ультракороткие волны (УКВ) метровые длиной от 1 м до 10 м и частотой от 30 МГц до 300 МГц (дальше см. таблицу).
Вертикальная антенна передатчика излучает волны вдоль поверхности Земли (поверхностные волны).
Поверхность Земли очень сильно влияет на распространение этих волн.
Для радиоволн, как и любых других волн, характерны явления отражения (изменения направления), поглощения (ослабления волн, уменьшение их энергии), дифракции (огибания волнами препятствий), интерференции (наложения волн).
Дифракция сильно зависит от соотношения между длиной волны и размерами препятствия.
На рисунке ниже показана гора, встретившаяся на пути распространения поверхностных коротких волн (верхний рисунок) и на пути длинных волн (нижний рисунок).
Длинные волны (длиной волны несколько километров) хорошо огибают эту гору и на горном склоне, противоположном радиостанции, ослабление волн незначительно и антенна радиоприёмника улавливает эти волны. Короткие же волны не огибают гору и за горой образуется "радиотень" - до антенны приёмника радиоволны не доходят.
Если рассматривать Землю в целом (земной шар), то её поверхность искривляется и даже самые длинные волны не заворачивают заметно за горизонт, т. е. за пределы прямой видимости.
Чем длиннее волны, тем лучше они огибают поверхность Земли.
Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн связано ещё с тем, что под воздействием радиоволн в почве и морской воде возникают электрические токи высокой частоты (наиболее сильные вблизи антенны передатчика).
В результате радиоволны ослабляются, часть их энергии переходит в тепло. Величина потерь энергии зависит от проводимости поверхности Земли и от длин радиоволн.
Так, морская вода имеет хорошую проводимость, поэтому высокочастотные токи проникают в неё на меньшую глубину, чем в твёрдой почве, и потери энергии радиоволнами существенно меньшие.
В результате дальность действия одного и того же передатчика при распространении волн над морем оказывается в несколько раз больше, чем при распространении их над сушей.
Короткие волны затухают значительно сильнее, чем длинные.
Радиоволна ослабевает ещё и потому, что энергия, излученная передатчиком, расходится во все стороны пространства и чем дальше находится антенна приёмника, тем меньше энергии она получит.
Наиболее устойчивая дальняя радиосвязь осуществляется на длинных радиоволнах.
Передачи длинноволновых станций можно принимать на расстояниях до нескольких тысяч километров и громкость их приёма уменьшается плавно, без скачков.
Средние волны распространяются в пределах тысячи километров. Ночью слышимость средневолновых станций резко возрастает.
Энергия же коротких волн резко убывает по мере удаления от передатчика.
Поэтому в первые годы развития радиотехники для дальней связи применялись волны длиной от 1 км до 30 км.
Волны короче 100 м считались непригодными для дальней связи и их отвели радиолюбителям.
Но произошёл интересный исторический факт: в 1921 году один французский радиолюбитель принял на короткой волне длиной 20 м передачу маломощной американской радиостанции, т. е. расположенной на большом расстоянии от приёмника.
Оказалось, что можно осуществлять коротковолновую радиосвязь на больших расстояниях при сравнительно небольшой мощности радиопередатчика.
Факт хорошего распространения длинных и средних волн за пределы прямой видимости и возможности распространения коротких волн на большие расстояния привёл к предположению о существовании высоко над Землёй электропроводящего слоя отражающего радиоволны.
Действительно, как показали исследования, выполненные с помощью искусственных спутников и космических ракет, такой электропроводящий слой, названный ионосферой, был обнаружен.
Нижняя граница ионосферы находится приблизительно на расстоянии 60 км от поверхности Земли, а верхняя - доходит до высот порядка 60 000 км. Причём было установлено существование нескольких слоёв ионизированных газов на высотах над Землёй 100 км, 200-300 км.
Основной причиной ионизации земной атмосферы является излучение Солнца, которое наряду с видимым светом испускает сильное ультрафиолетовое излучение и большое количество быстрых заряженных частиц, которые, попадая в земную атмосферу, сильно ионизуют её верхние области.
В разных слоях ионизация различна (в верхних она больше, чем в нижних), эти слои непрерывно движутся и меняются, что приводит не только к отражению, но и поглощению, рассеиванию радиоволн, зависящих от их длины.
В нижней части ионосферы имеется несколько областей (слоёв), соответствующих максимумам ионизации и определяющих закономерности распространения радиоволн.
Самый нижний слой D (от 60 до 90 км) существует только в дневные часы. Он сильно поглощает средние и короткие радиоволны и отражает длинные радиоволны.
Следующий слой Е, максимум ионизации в котором находится на высоте около 120 км, отражает средние радиоволны.
Ещё более удалённая область F днём в летние месяцы состоит из двух слоёв F1 и F2, а в остальное время - из одного слоя F2.
Слой F1 (180 - 240 км) похож по своим свойствам на слой Е.
Положение слоя F2 заметно изменяется в течение суток и года (220-250 км в полдень зимой и 350 - 400 км в полдень летом).
Слой F2 является основным слоем ионосферы, отражающим короткие радиоволны.
Свойства ионосферы меняются с течением времени суток.
Днём при действии солнечного излучения ионизация значительно больше, чем ночью, когда происходит только воссоединение положительных ионов и отрицательных электронов в нейтральные молекулы (рекомбинация).
Особенно велико различие в ионизации днём и ночью в нижних слоях ионосферы, так как здесь плотность воздуха выше, столкновения между ионами и электронами происходят чаще и рекомбинация протекает более интенсивно.
В течение ночи ионизация нижних слоёв ионосферы может успеть упасть до нуля.
Ионизация различна и в зависимости от времени года, т. е. зависит от высоты подъёма Солнца над горизонтом.
Наиболее устойчивая дальняя радиосвязь осуществляется на длинных радиоволнах, которые почти не проникают в ионосферу и поэтому мало поглощаются ею.
Дальний приём на средних волнах возможен ночью, когда отсутствует слой D ионосферы.
Дальняя радиосвязь на коротких волнах основана на многократном отражении этих волн от слоя F2 ионосферы и поверхности Земли, поэтому и возможна коротковолновая радиосвязь на больших расстояниях при сравнительно небольшой мощности радиопередатчика, но приём коротких радиоволн возможен лишь в тех областях поверхности Земли, к которым они подходят после отражения от ионосферы.
Таким образом, "зоны слышимости" данной коротковолновой радиостанции перемежаются с достаточно протяжёнными "мёртвыми зонами". Вследствие суточных и годичных колебаний высоты слоя F2 ионосферы положение этих зон изменяется.
Без ионосферы не была бы возможной дальняя радиосвязь.
Часто случается, что волна доходит от передатчика к приёмнику по нескольким различным путям, испытав различное число отражений от ионосферы и земной поверхности.
Результатом этого является то усиление колебаний (усиление звука в радиоприёмнике), то замирание приёма (слышимость может упасть до нуля), что является проявлением интерференции волн.
Очевидно, волны, идущие от одного и того же передатчика, когерентны и могут интерферировать в месте приёма, ослабляя или усиливая друг друга в зависимости от разности хода.
Так как ионосфера меняется с течением времени, то меняется и разность хода волн, пришедших по разным путям от передатчика к радиоприёмнику, в результате чего усиление колебаний сменяется их ослаблением, потом опять усилением и т. д.
Помещённые ниже рисунки демонстрируют распространение длинных, средних и коротких волн в атмосфере (между земной поверхностью и ионосферой).
Процесс распространения коротких волн протекает так. Отразившись от ионосферы, они возвращаются к Земле далеко от источника, оставив под собой сотни километров "мёртвой зоны".
Затем, отражаясь от поверхности Земли, вновь устремляются к ионосфере, снова отражаются от неё и т. д. Так, многократно отражаясь от ионосферы и Земли, они могут несколько раз обогнуть земной шар.
Установлено, что угол отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем дальше от источника посылает её ионосфера.
Но эта зависимость верна лишь для волн длиной до 8 - 15 м. Более короткие волны ионосфера не отражает, они пронизывают её насквозь и безвозвратно уходят в космическое пространство.
Эти ультракороткие волны ближе всех других радиоволн стоят к световым лучам. Они почти не огибают земную поверхность и распространяются прямолинейно, в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но у них есть и преимущества для радиосвязи.
Поскольку они распространяются в пределах прямой видимости, радиостанции, работающие на УКВ, можно строить в 150 - 300 км друг от друга - взаимного влияния между ними не будет.
Иными словами, одна и та же частота УКВ может быть многократно использована для радиопередач с соседних станций.
Но не только это позволяет работать на ультракоротком диапазоне очень многим станциям. Волны длиной от 10 до 5 м охватывают полосу частот от 30 до 60 МГц, т. е. полосу в 30 МГц.
Длинные и средние волны - от 2000 до 200 м - соответствуют частотам от 0,15 до 1,5 МГц, т. е. занимают полосу частот всего в 1,35 МГц. Во всём диапазоне УКВ можно расположить в 1000 раз больше радиостанций, чем в диапазонах длинных, средних и коротких волн, вместе взятых.
Ультракороткие волны близки к световым лучам, поэтому обладают ещё одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен прожектор.
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 радиоволнами УКВ-диапазона. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками.
Для длинных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы её размеры: диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны. Эта особенность УКВ позволила использовать их в первую очередь для радиолокации, телевидения - везде, где нужно направленное излучение.
И ещё одно свойство выгодно отличает УКВ - малые помехи в радиоприёме. Этим свойством объясняется то, что приёмники снабжаются наряду с обычными диапазонами одним или несколькими ультракоротковолновыми.
Самые короткие волны радиоспектра - миллиметровые - распространяются так же, как и УКВ, но сильно поглощаются атмосферой. Для волн короче 1 см туман, дождь, облака - уже серьёзные помехи, сильно ограничивающие дальность распространения.
Таким образом, волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его особенности.
https://www.youtube.com/watch?v=GnE6gwRBw6Y
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Изобретение радио. Принципы радиотелефонной связи.
Следующая запись: Развитие электромагнетизма. Как был открыт электрон?
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .