Распространение радиоволн

Введение

 

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации.

После появления уравнений  Максвелла стало ясно, что они  предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.

В XX веке электромагнитные волны  начали прочно входить в быт людей. Еще до войны в квартирах горожан  появились радиолы, затем – телевизоры, в 60-е годы распространившиеся необычайно широко. В 90-х годах в наш быт  стали проникать радиотелефоны, микроволновые печи, пульты дистанционного управления телевизорами, видеомагнитофонами и т.д. Все эти приборы излучают или принимают электромагнитные волны.

 

 

1. История исследования длинных и коротких волн

электромагнитная  радиоволна диапазон длина

К радиоволнам  относят электромагнитные волны, частота  которых находится в диапазоне  до 3000 ГГц = 3·10¹² Гц. Как видно из приведенного ниже рисунка, они занимают весьма скромную часть среди известных нам видов электромагнитных излучений.

 

 

К настоящему времени человечество научилось  использовать для передачи информации электромагнитные волны вплоть до ультрафиолетового  диапазона.

Как Вы знаете, освоение радиоволн началось с экспериментов Г.Герца. Он проводил свои опыты на волнах длиной до 67 см и доказал, что они обладают такими же свойствами, как и свет. В практически реализованных А.С.Поповым и Г.Маркони системах беспроволочной телеграфии использовались более длинные волны. Это было сделано интуитивно: для увеличения дальности действия требовалось излучать электромагнитные колебания большой мощности. Большую мощность можно было получить только от антенн больших размеров, а большие антенны могли излучать только волны большой длины.

В первую очередь беспроволочная связь была нужна флоту. Размер антенны на корабле  ограничивался высотой мачт и  расстоянием между ними. Поэтому  для связи использовались волны  длиной 150 – 200 м. Береговые станции имели более высокие и значительно более разнесенные мачты и поэтому использовали волны до 1000 м.

Увеличение  дальности действия происходило  очень быстро, и не только в пределах прямой видимости. Особенно впечатляющих результатов добился Маркони. Образованная им компания Wireless Telegraph and Signal Company Limited обладала достаточными средствами, в ней работали многие известные в то время специалисты, а сам Маркони отличался неуемной энергией.

В 1896 г. он продемонстрировал аппаратуру с дальностью связи в 3 км. Через год им была достигнута дальность связи 21 км. Еще через полтора года – 70 км. В начале 1901 года – 300 км. А в декабре 1901г. Г.Маркони установил связь между Англией и Северной Америкой на расстоянии около 3700 км. Об энергии, которую развил Маркони в деле пропаганды радиосвязи, можно судить хотя бы по тому факту, что Атлантический океан он пересек восемьдесят раз.

 

 

Передающая  антенна (рис. сверху), обеспечивающая дальнюю связь, занимала много сотен  метров.

Приемная  антенна представляла собой длинный  провод, закрепленный на воздушном  шаре. Вообще то в линиях дальней  связи на приемном конце тогда  использовались различные антенны, например, ромбическая, как показано на рисунке ниже.

О размерах этой антенны можете судить, сравнивая  ее с размерами мебели в подсобном  помещении на первом этаже.

Спустя  два года была установлена связь  и с Южной Америкой (10000 км) Ниже на рисунке показано, как с годами изменялась достигнутая дальность связи.

 

Но как проходили электромагнитные волны на другую сторону Земли,было совершенно непонятно. В начале своих опытов и Попов и Марконипредполагали, что радиоволны, подобно свету, распространяются прямолинейно. Однако связь, установленная Г.Маркони 12 декабря 1901 года между Нью-Фаундлендом (Канада) и юго-западной Англией (расстояние 3700 км) заставила исследователей отказаться от мысли о прямолинейности распространения радиоволн.

До  объяснения этого факта было далеко, а опыт показывал, что для достижения большей дальности требовалась  большая длина волны. И во втором десятилетии ХХ века стали строить  станции для трансатлантической связи мощностью в сотни киловатт, на волнах длиною до 15000 – 20000 м. Кривая освоения диапазона длинных радиоволн показана ниже. К 1920 году длина волны достигла 30000 м и дальнейший ее рост прекратился. С одной стороны, это объяснялось тем, что слишком уж громоздкими становились антенные системы. А с другой стороны, низкая частота электромагнитной волны (частота колебания с длиной волны λ = 30000 м равна f = c/λ = 3*10⁸/3*10⁴ = 10⁴ Гц = 10 кГц) позволяла передавать только низкочастотные сообщения.

А потребность  в радиосвязи все увеличивалась. Поэтому вынуждены были осваивать  высокочастотные диапазоны.

Но мешало одно обстоятельство. Экспериментально было установлено, что  короткие волны (короче 200 м) распространялись прямолинейно и не огибали Землю, и для связи на большие расстояния не годились. Поэтому их сочли непригодными для дальней связи и отдали радиолюбителям. А радиолюбители и этому диапазону были рады и вскоре утерли нос профессионалам. В 1921 – 1923 гг. радиолюбители Америки и Европы на этих волнах, с небольшой мощностью передатчиков перекрыли Атлантический океан, а затем установили связь между материками-антиподами.

Радиолюбительское движение, едва возникнув, ознаменовалось фундаментальным открытием: коротковолновая  радиосвязь, осуществленная передатчиками  мощностью в единицы ватт, возникала  и держалась устойчиво в течение  заметного времени на дальностях, недоступных радиостанциям, работающим в диапазоне длинных волн, хотя мощность последних достигала сотен  киловатт. Этот беспримерный в истории  науки факт привлек внимание многих специалистов к коротким волнам, всюду  началось их изучение.

 

2. Распространение волн коротковолнового диапазона

Как же могли короткие волны распространяться на расстояния в тысячи километров? Складывалась парадоксальная ситуация: на расстоянии 100 км установить связь было нельзя, а на 1000 км можно. Представьте, Вам надо поговорить с знакомым радиолюбителем, находящимся в Коломне. Для этого Вы устанавливаете связь с радиолюбителем из Южной Америки, а он, в свою очередь, связывается с Коломной и передает от Вас привет. Парадокс, да? Но объяснение таких особенностей распространения коротких волн нашлось.

Еще в 1902 г. после осуществления Маркони радиосвязи между Англией и Северной Америкой Кеннели предположил, что электромагнитные волны могут огибать земной шар, отражаясь от электропроводящих слоев земной атмосферы. В том же 1902 г. Хевисайд, также в связи с осуществлением трансатлантической радиосвязи, указал на возможность существования в верхних слоях атмосферы проводящего слоя, от которого отражаются электромагнитные волны. В начале 20-х годов М.В.Шулейкин разработал теорию ионизации верхних слоев атмосферы и ионосферного распространения радиоволн.

Многие  наблюдения, проводившиеся до 1925 г., косвенно указывали на наличие ионосферы, однако прямого доказательства ее существования не было. И только в 1926 – 1927 гг. Смит-Роз и Барфильд при облучении атмосферы обнаружили волны, падающие вниз, что указывало на наличие в атмосфере зоны, отражающей радиоволны. В 1926 г. Брайт и Тьюв, излучив вертикально вверх импульсы, получили отраженные от ионосферы волны и определили ее высоту. Это явилось прямым доказательством существования ионосферы. Таким образом, от впервые высказанной Кеннели и \Хевисайдом гипотезы о наличии отражающей области в верхних слоях атмосферы и до прямого доказательства наличия ионосферы прошло около двадцати лет.

В том же 1926 г. Эпплтон и Бернет впервые обнаружили две отражающие области. Нижнюю область они назвали слоем Е, а верхнюю – слоем F, очевидно предполагая, что могут быть обнаружены слои ниже слоя Е. Так и получилось. В 1927 и 1928 гг. Эпплтон, Хейсинг и Гольдштейн, независимо друг от друга, получили косвенные указания на существование ионизированного слоя, находящегося ниже слоя Е, который был назван слоем D. В 1932 – 1933 гг. М.А.Бонч-Бруевич, и в 1934 г. Силлитоу подтвердили наличие поглощающего слоя D.

В СССР исследования по распространению  радиоволн коротковолнового диапазона  велись в Нижегородской радиолаборатории под руководством М.А.Бонч-Бруевича. Накопленный опыт использовался  для внедрения коротковолновой  связи в Арктике. Инициатором  здесь выступил известный полярный радист Э.Т.Кренкель. Первая его арктическая коротковолновая станция RDO стала средством для опытной связи осенью 1927 г. между Нижним Новгородом и Малой Землей. Надежность и регулярность этой связи способствовала быстрому внедрению в эксплуатацию коротковолновой связи в Арктике.

Одновременно  с исследованием ионосферы началось практическое освоение коротковолнового диапазона. В результате во второй половине 20-х годов для радиосвязи на большие  расстояния широко стали применяться  короткие волны, которые постепенно заменили длинные, оказавшиеся по целому ряду технических показателей менее  выгодными, - узкий частотный диапазон, очень большие антенны с малым  коэффициентом полезного действия, высокий уровень атмосферных  помех и пр. Интерес к очень  длинным (сверхдлинным) волнам снова  возрос в 40-х годах в связи с  применением их для радионавигации, а также для радиосвязи с подводными лодками. В СССР такая система  была построена в начале 60-х годов  в белорусских лесах. Она действует  до сих пор. Заключен договор с  Белоруссией об ее использовании  до 2017 г. Система обеспечивает радиосвязь с подводными лодками, находящимися на расстоянии до 10000 км и на глубине до 200 м. Мощность излучаемого сигнала 1 МВт. Высота антенны 200 м. На антенну израсходовано 900 т проводов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В связи  с увеличивающимся объемом информации, передаваемой по каналам связи и  появлением новых областей применения радиоволн (телевидение, радиолокация и др.) осваивались все более  короткие волны, что видно из приведенного ниже графика.

 

 

Остановимся теперь на особенностях распространения  радиоволн различных частот. В  настоящее время в соответствии с Регламентом радиосвязи радиоволны подразделяются на 9 диапазонов, как  показано в приведенной ниже таблице.

 

Приведенную классификацию можно сопоставить  с широко используемой в радиовещании и радиосвязи. Мириаметровым соответствуют  сверхдлинные волны (СДВ), километровым – длинные (ДВ), гектометровым –  средние (СВ), метровым – короткие (КВ), дециметровым – ультракороткие (УКВ), и все остальным – сверхвысокочастотные (СВЧ).

 

3. Общие свойства радиоволн.

Распространение радиоволн  в земном пространстве зависит от свойств поверхности земли и  свойств атмосферы. Условия распространения  радиоволн вдоль поверхности  земли в значительной мере зависят  от рельефа местности, электрических  параметров земной поверхности и  длины волны. Подобно другим волнам радиоволнам свойственна дифракция, т.е. явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностными радиоволнами.

Атмосферу земли нельзя считать  однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость  и другие параметры в разных объемах  воздушного слоя имеют различные  значения. По этим причинам скорости распространения  в различных объемах неодинаковы  и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления  волн при распространении их в  неоднородной среде получило название рефракции. Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие искривления траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными.

В точку приема могут приходить  как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабляется  и может стать равным нулю. Указанное  явление взаимодействия волн называется интерференцией.

 

4. Распространение  поверхностных (земных) радиоволн

Распространение поверхностных радиоволн  определяется двумя факторами: дифракцией и влиянием земной поверхности.

Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн практически  во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности земли, то на их распространении сказываются  свойства земной поверхности.