Растяжения 

УКВ. Что такое УКВ диапазон

Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывает и опыт и теория, поверхность Земли сильно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности пример, разлития между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности земного шара и отдельные неровности рельефа - горы, ущелья и т. п.). Влияние это различно для волн разной длины и для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком и приемником.

Влияние, оказываемое на распространение радиоволн формой земной поверхности, понятно из предыдущего. Ведь мы имеем здесь, в сущности, разнообразные проявления дифракции идущих от излучателя волн (§ 41),- как на земном шаре в целом, так и на отдельных особенностях рельефа. Мы знаем, что дифракция сильно зависит от соотношения между длиной волны и размерами тела, находящегося на пути волны. Неудивительно поэтому, что кривизна земной поверхности и ее рельеф по-разному сказываются на распространении волн различной длины.

Так, например, горная цепь отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн, в то время как достаточно длинные (в несколько километров) волны хорошо огибают это препятствие и на горном склоне, противоположном радиостанции, ослабляются незначительно (рис. 147).

Рис. 147. Гора отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн. Длинные волны огибают гору

Что касается земного шара в целом, то он чрезвычайно велик даже по сравнению с наиболее длинными волнами, применяемыми в радио. Очень короткие волны, например метровые, вообще не заворачивают сколько-нибудь заметно за горизонт, т. е. за пределы прямой видимости. Чем волны длиннее, тем лучше они огибают поверхность земного шара, но и самые длинные из применяемых волн не могли бы благодаря дифракции завернуть так сильно, чтобы обойти вокруг земного шара - от нас к антиподам. Если, тем не менее, радиосвязь осуществляется между любыми точками земного шара, причем на волнах самой различной длины, то это возможно не из-за дифракции, а по совсем другой причине, о которой мы скажем немного дальше.

Влияние физических свойств земной поверхности на распространение радиоволн связано с тем, что под воздействием этих волн в почве и в морской воде возникают электрические токи высокой частоты, наиболее сильные вблизи антенны передатчика. Часть энергии радиоволны расходуется на поддержание этих токов, выделяющих в почве или воде соответствующее количество джоулева тепла. Эти потери энергии (а значит, и ослабления волны из-за потерь) зависят, с одной стороны, от проводимости почвы, а с другой - от длины волны. Короткие волны затухают значительно сильнее, чем длинные. При хорошей проводимости (морская вода) высокочастотные токи проникают на меньшую глубину от поверхности, чем при плохой (почва), и потери энергии в первом случае существенно меньше. В результате дальность действия одного и того же передатчика оказывается при распространении волн над морем значительно (в несколько раз) большей, чем при распространении над сушей.

Мы уже отметили, что распространение радиоволн на очень большие расстояния нельзя объяснить дифракцией вокруг земного шара. Между тем дальняя радиосвязь (на несколько тысяч километров) была осуществлена уже в первые годы после изобретения радио. В настоящее время каждый радиолюбитель знает, что длинноволновые ( больше ) и средневолновые станции зимними ночами слышны па расстоянии многих тысяч километров, в то время как днем, особенно в летние месяцы, эти же станции слышны на расстоянии всего в несколько сот километров. В диапазоне коротких волн положение иное. Здесь в любое время суток и любое время года можно найти такие длины волн, на которых надежно перекрываются любые расстояния. Для обеспечения круглосуточной связи при этом приходится в разное время суток работать на волнах различной длины. Зависимость дальности распространения радиоволн от времени года и суток заставила связать условия распространения радиоволн на Земле с влиянием Солнца. Эта связь в настоящее время хорошо изучена и объяснена.

Солнце испускает наряду с видимым светом сильное ультрафиолетовое излучение и большое количество быстрых заряженных частиц, которые, попадая в земную атмосферу, сильно ионизуют ее верхние области. В результате образуется несколько слоев ионизованных газов, расположенных на различных высотах .

Наличие таких следов дало основание к тому, чтобы назвать верхние слои земной атмосферы ионосферой.

Присутствие ионов и свободных электронов придает ионосфере свойства, резко отличающее ее от остальной атмосферы. Сохраняя способность пропускать видимый свет, инфракрасное излучение и метровые радиоволны, ионосфера сильно отражает более длинные волны; для таких волн ( больше ) земной шар оказывается окруженным как бы сферическим «зеркалом», и роспространение этих радиоволн происходит между двумя отражающими сферическими поверхностями-поверхностью Земли и «поверхностью» ионосферы (рис. 148). Именно поэтому радиоволны получают возможность огибать земной шар.

Рис. 148. Волна идет между Землей и ионосферой

Конечно, не следует понимать слова «поверхность сферического зеркала ионосферы» буквально. Никакой резкой границы у ионизованных слоев нет, правильная сферическая форма тоже не соблюдается (по край ней мере, одновременно вокруг всего земного шара); ионизация различна в разных слоях (в верхних она больше, чем в нижних), и сами слои состоят из непрерывно движущихся и меняющихся «облаков». Такое неоднородное «зеркало» не только отражает, но и поглощает и рассеивает радиоволны, причем опять-таки различно в зависимости от длины волны. Кроме того, свойства «зеркала» меняются с течением времени. Днем при действии солнечного излучения ионизации значительно больше, чем ночью, когда происходит только воссоединение положительных ионов и отрицательных электронов в нейтральные молекулы (рекомбинация). Особенно велико различие в ионизации днем и ночью в нижних слоях ионосферы. Здесь плотность воздуха выше, столкновения между ионами и электронами происходят чаще и рекомбинация протекает более интенсивно. В течение ночи ионизация нижних слоев ионосферы может успеть упасть до нуля. Ионизация различна и в зависимости от времени года, т, е. от высоты подъема Солнца над горизонтом.

Изучение суточных и сезонных изменений состояния ионосферы позволило не только объяснить, но и предсказывать условия прохождения радиоволн различной длины в разное время суток и года (радиопрогнозы).

Наличие ионосферы не только делает возможной коротковолновую связь на большие расстояния, но и позволяет радиоволнам иногда обогнуть весь земной шар, и даже несколько раз. Из-за этого возникает своеобразное явление при радиоприеме, так называемое радиоэхо, при котором сигнал воспринимается приемником несколько раз: после прихода сигнала по кратчайшему пути от передатчика могут быть слышны повторные сигналы, обогнувшие земной шар.

Часто случается, что волна доходит от передатчика к приемнику по нескольким различным путям, испытав различное число отражений от ионосферы и земной поверхности (рис. 149). Очевидно, волны, идущие от одного и того же передатчика, когерентны и могу интерферировать в месте приема, ослабляя или усиливая друг друга в зависимости от разности хода. Так как ионосфера не является абсолютно устойчивым «зеркалом», а меняется с течением времени, то меняется и разность хода волн, пришедших по разным путям от передатчика к приемнику, в результате чего усилением и т.д. Можно сказать, что интерференционные полосы «ползают» над поверхностями Земли, и приемник оказывается то в максимуме, то в минимуме колебаний. В принимаемой передаче получается при этом смена хорошей слышимости и замираний приема, при которых слышимость может падать до нуля.

Рис. 149. Различные пути волны от передатчика к приемнику

Аналогичное явление наблюдается на экране телевизора, если над окрестностью приемной антенны пролетает самолет. Отраженная самолетом радиоволна интерферирует с волной от передающей станции, и мы видим, как изображение «мигает» из-за того, что интерференционные «полосы» поочередного усиления и ослабления сигнала пробегают (из-за движения самолета) мимо приемной антенны.

Заметим, что при приеме телевизионной передачи в городе довольно часто наблюдается удвоение (и даже «размножение») изображения на экране кинескопа: оно состоит из двух или несколько изображений, в различной степени сдвинутых по горизонтали друг относительно друга. Это результат отражения радиоволны от домов, башен и т.п. Отраженные волны проходят более длинный путь, чем расстояние между передающей и приемной антеннами, и поэтому запаздывают, давая картину. сдвинутую в направлении развертки электронного пучка в кинескопе. В сущности, мы здесь воочию наблюдаем результат распространения радиоволн с конечной скоростью .

Прозрачность ионосферы для радиоволн, длина которых меньше , позволила обнаружить радиоизлучение, приходящее от внеземных источников. Возникла и с 40-х гг. нашего века быстро развивается радиоастрономия, открывшая новые возможности для изучения Вселенной, сверх тех, какими располагает обычная (оптическая) астрономия. Строится все больше радиотелескопов, увеличиваются размеры их антенн, повышается чувствительность приемников и в результате непрерывно возрастает количество и разнообразие открытых внеземных радиоисточников.

Оказалось, что радиоволны излучают и Солнце, и планеты, а за пределами нашей Солнечной системы – многие туманности и так называемые сверхновые звезды. Множество источников радиоизлучения открыто вне нашей звездной системы (Галактики). В основном – это другие галактические системы, причем лишь, небольшая их доля отождествлена с оптически наблюдаемыми туманностями. «Радиогалактики» обнаружены и на таких больших расстояниях от нас (многие миллиарды лет), которые находятся за пределами досягаемости самых сильных современных оптических телескопов. Были открыты интенсивные источники радиоизлучения, обладающие очень малыми угловыми размерами (доли угловой секунды). Первоначально их считали особого рода звездами, принадлежащими нашей Галактике, и поэтому назвали квазизвездными источниками или квазарами. Но с 1962 г. Стало ясно, что квазары – это внегалактические объекты с огромной мощностью радиоизлучения.

Отдельные, или, как говорят, дискретные радиоисточники нашей Галактики излучают широкий спектр длин волн. Но было обнаружено и «монохроматическое» радиоизлучение с длиной волны , испускаемое межзвездным водородом. Исследование этого излучения позволило найти общую массу межзвездного водорода и установить, как он распределен по Галактике. В самое последнее время удалось обнаружить монохроматическое радиоизлучение на длинах волн, свойственных другим химическим элементам.

К всех источников радиоизлучения, о которых говорилось выше, интенсивность очень постоянна. Лишь в некоторых случаях (в частности, у Солнца) наблюдаются на общем постоянном фоне отдельные беспорядочные вспышки радиоизлучения. 1968 г. был ознаменован новым радиоастрономическим открытием большого значения: были обнаружены источники (находящиеся в большинстве своем в пределах Галактики), излучающие строго периодические импульсы радиоволн. Эти источники получили название пульсаров. Периоды повторения импульсов у разных пульсаров различны и доставляют от нескольких секунд до несколько сотых долей секунды и даже меньше. Характер радиоизлучения пульсаров получает, по-видимому, наиболее правдоподобное объяснение, если допустить, что пульсары - это вращающиеся звезды, состоящие в основном из нейтронов (нейтронные звезды). В обнаружении и возможности наблюдения таких звезд и состоит большое научное значение этого радиоастрономического открытия.

Кроме приема собственного радиоизлучения тел Солнечной системы, применяется также их радиолокация. Это так называемая радиолокационная астрономия. Принимая отраженные от какой-либо из планет радиосигналы мощных локаторов, можно очень точно измерять расстояние до этой планеты, оценивать скорость ее вращения вокруг оси и судить (по интенсивности отражения радиоволн различной длины) о свойствах поверхности и атмосферы планеты.

Отметим в заключение, что прозрачность ионосферы для достаточно коротких радиоволн позволяет также осуществлять все виды радиосвязи с искусственными спутниками Земли и космическими кораблями (собственно связь, радиоуправление, телевидение, а также телеметрия – передача на Землю показаний различных измерительных приборов). По той же причине можно использовать теперь метровые радиоволны для связи и телевидения между сильно удаленными друг от друга пунктами земной поверхности (например, между Москвой и нашими дальневосточными городами), применяя однократную ретрансляции передач специальными спутниками, на которых установлена приемно-передающая радиоаппаратура.

УДК 537.874

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСЛАБЛЕНИЯРАДИОВОЛН СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ЭКРАНИРУЮЩИМИ
МАТЕРИАЛАМИ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 800 МГц – 17 ГГц

А. Н. Катруша

Военно-учебный научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Аннотация. Экспериментально получены коэффициенты прохождения радиоволн для различных материалов в широком диапазоне частот; рассмотрены типовые трассы распространения радиоволн при организации экранирования оконного проема здания; проведен физический анализ полученных результатов.

Ключевые слова: распространение радиоволн, экспериментальные исследования, электромагнитное экранирование.

Abstract. Factors of passage of radio-waves for various materials in a wide range of frequencies are experimentally received; typical lines of propagation of radio-waves are considered at the organisation of shielding of a window aperture of a building; the physical analysis of the received results is carried out.

Keywords: propagation of radio-waves, experimental researches, e lectromagnetic shielding.

Введение.

Оценка уровня сигнала при распространении радиоволн в условиях городской застройки необходима при решении таких важных задач, как планирование и организация сетей мобильной радиосвязи (в том числе сверхширокополосных), беспроводных компьютерных сетей, а также формирования помех с целью предотвращения утечки информации по радиоканалу. Кроме того в настоящее время представляет интерес исследование ослабления различными препятствиями сверхкоротких электромагнитных импульсов при их деструктивном воздействии на радиоэлектронную аппаратуру, находящуюся внутри здания.

Данные по ослаблению радиоволн при их прохождении внутрь здания могут быть найдены в справочной литературе, например , однако они приводятся или в обобщенном виде для ряда выборочных частот, или в виде усредненных значений в весьма широких диапазонах частот (например, в величина ослабления при прохождении радиоволн внутрь здании усреднена для диапазона частот 500 МГц – 3 ГГц). Очевидно, что для адекватной оценки уровней ослабления сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов необходимы более детальные сведения о коэффициентах ослабления радиоволн различными препятствиями в полосе частот сигналов (импульсов), достигающей несколько гигагерц.

Для исследований выбран диапазон частот 800 МГц – 17 ГГц, охватывающий диапазоны работы современных сетей мобильной радиосвязи, беспроводной передачи данных, сверхширокополосных систем связи, а также наиболее актуальные диапазоны частот сверхкоротких электромагнитных импульсов.

Результаты экспериментальных исследований.

Рассмотрим каноническую задачу прохождения радиоволн внутрь здания при нормальном падении волны на фронтальную стену здания. Очевидно, что наименьшее ослабление ожидается при распространении радиоволн через оконный проем. В связи с этим задача экранирования помещений решается путем применения оконных штор из экранирующих материалов.

Необходимо отметить, что для экранирующих материалов известны только коэффициенты прохождения сквозной волны, полученные в лабораторных условиях . Поэтому представляет интерес исследование характеристик экранирующих материалов на трассах распространения в составе препятствия «окно + экранирующий материал», а также влияние дифракционных компонент на параметры экранирования.

Экспериментальная установка для измерения коэффициентов прохождения радиоволн через препятствия состояла из передатчика, приемника и двух встречно направленных рупорных антенн П6-23М. В качестве передатчика использовался генератор сигналов Rhode & Swarz SMF 43, приемником служил анализатор спектра Rhode & Swarz FSU 26.

Прохождение радиоволн через стеклопакет.

Экспериментальные исследования прохождения радиоволн через окно проводились с использованием стандартного двухкамерного стеклопакета (три листа стекла) в составе пластикового оконного блока. Передающая и приемная антенны размещались встречно на удалении 1,5 м от окна (рис.1).

Рис.1. Схема измерения коэффициента прохождения черезстеклопакет

Измерялся уровень мощности сигнала на входе анализатора спектра при наличии стеклопакета, где - частота сигнала . Затем створка окна открывалась, и измерялся уровень сигнала при отсутствии препятствия между антеннами (в свободном пространстве). Коэффициент прохождения радиоволн через стеклопакет относительно свободного пространства рассчитывался по формуле

Частотная зависимость , полученная на основе проведенных измерений, представлена на рис. 2.


Рис.2. Частотная зависимость коэффициента прохождения радиоволн через стеклопакет

Анализ рисунка показывает, что коэффициент прохождения через стеклопакет существенно зависит от частоты. На частотах 800 МГц – 3 ГГц наблюдается осциллирующий характер коэффициента прохождения, однако средний уровень равен 0 дБ. Вероятно, эти осцилляции обусловлены отражением радиоволн от металлических составляющих оконной конструкции (на частотах 1-2 ГГц диаграмма направленности антенны П6-23М достаточно широкая, поэтому отраженные волны могут вносить ощутимый вклад в принимаемый сигнал). В диапазоне 3 – 5,8 ГГц ослабление радиоволн незначительное (до -4 дБ). На частотах 5,8 – 13 ГГц наблюдается существенное ослабление сигнала до -20 дБ. В диапазоне 13 – 16 ГГц коэффициент прохождения не превышает -2 дБ. Выше 16 ГГц снова наблюдается увеличение ослабления. Такой характер частотной зависимости коэффициента прохождения объясняется зависимостью диэлектрической проницаемости стекла от частоты (а, следовательно, частотной зависимостью коэффициента отражения радиоволн от стекла).

Для качественного выявления указанной зависимости проведены дополнительные измерения. Сначала измерялся уровень сигнала при прохождении радиоволн через стеклопакет . Затем параллельно стеклопакету размещалось дополнительное стекло на некотором расстоянии d (рис. 3) и измерялся уровень сигнала . Коэффициент прохождения через дополнительное стекло в составе препятствия «стеклопакет + стекло» рассчитывался по формуле

Рис. 3 Схема измерения коэффициента прохождения радиоволн через стеклопакет и дополнительное стекло

Очевидно, что коэффициент прохождения препятствия «стеклопакет + дополнительное стекло» относительно свободного пространства можно рассчитать как , однако для оценки ослабления, вносимого дополнительным стеклом, рассмотрим зависимость .

На рис. 4 приведены частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн при расстоянии между стеклопакетом и дополнительным стеклом d =30 см и 40 см, а также при развороте дополнительного стекла в горизонтальной плоскости на угол 45 0 .


Рис. 4. Частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через дополнительное стекло

Из анализа рис. 4 можно сделать следующие выводы. В диапазоне 3 – 13 ГГц наблюдаются существенные периодические осцилляции коэффициента прохождения, достигающие размаха в 20 дБ. Такой резонансный характер коэффициента прохождения объясняется многочисленными переотражениями между стеклопакетом и дополнительным стеклом. Причем при увеличении расстояния d с 30 см до 40 см частота осцилляций увеличивается, поскольку разность хода между различными лучами, приходящими в точку приема возрастает. При развороте дополнительного стекла на 45 0 периодические осцилляции прекращаются, однако на некоторых частотах наблюдаются глубокие провалы коэффициента прохождения.

Таким образом, в диапазонах частот 800 МГц – 3 ГГц и 13 ГГц – 17 ГГц диэлектрическая проницаемость стекла близка к диэлектрической проницаемости воздуха, в диапазоне частот 3 ГГц – 13 ГГц диэлектрическая проницаемость стекла отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, причем это отличие наиболее существенно в диапазоне 6,5 ГГц – 12 ГГц.

Прохождение радиоволн через экранирующие материалы.

Задача экранирования электромагнитных волн является актуальной как при организации электромагнитной совместимости, так и при защите радиоэлектронной аппаратуры от мощных электромагнитных импульсов. В качестве экранирующих материалов достаточно часто применяются различные металлизированные ткани, например, полиэфирная ткань МЕТАКРОН, покрытая никелем .

На рис. 5 приведены частотные зависимости коэффициента прохождения тканей МЕТАКРОН 1П4-Н3 толщиной 3 мкм и 1П16-Н5 толщиной 5 мкм. Измерения проводились в комнате размером 4 м × 8 м × 2,5 м, размер экранирующего материала составлял 2,5 м × 4 м (экран полностью перекрывал поперечное сечение комнаты). Расстояние между антеннами составляло 1 м (рис. 5а) и 6 м (рис. 5б).

Анализ рис. 5 показывает, что при прохождении радиоволн через более тонкую ткань 1П4-Н3 преобладает сквозная волна, ослабление составляет в среднем -30 дБ почти во всем исследуемом диапазоне частот. Однако на частотах менее 3 ГГц уровень дифракционных волн становится соизмерим с уровнем сквозной волны, при этом появляются интерференционные осцилляции коэффициента прохождения, достигающие 20 дБ. При использовании в качестве экрана ткани 1П16-Н5 во всем диапазоне частот преобладают дифракционные и переотраженные в комнате волны, при этом осцилляции коэффициента прохождения достигают 30 дБ.



Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через металлизированные ткани

Увеличение расстояния между антеннами приводит к повышению уровней дифракционных компонент (рис. 5б), особенно это заметно для ткани 1П16-Н5 (коэффициент прохождения увеличивается в среднем на 20 дБ). При этом на частотах менее 3 ГГц различия между коэффициентами прохождения тканей 1П4-Н3 и 1П16-Н5 практически отсутствуют (рис. 5б) вследствие доминирования дифракционных компонент.

Необходимо отметить, что полученные значения коэффициентов прохождения существенно отличаются от результатов лабораторных испытаний , поскольку учитывают в точке приема не только сквозную, но и дифракционную компоненту радиоволн, которая во многих практически важных случаях может вносить существенный вклад в формируемое поле.

Для решения задач электромагнитного экранирования на практике могут применяться радиоотражающие краски. На рис. 6 приведены измеренные частотные зависимости коэффициентов прохождения радиоволн через лист фанеры размером 1 м × 1 м, покрытый графитовой краской.


Рис. 6. Частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через лист фанеры, покрытый графитовой краской, и металлический лист

Расстояние между антеннами составляло 1 м. Для сравнения на рисунке также представлена частотная зависимость коэффициента прохождения через сплошной металлический лист аналогичного размера.

Ослабление, вносимое экраном с графитовым покрытием, составляет в среднем -20 дБ практически во всем диапазоне частот. При этом доминирует сквозная волна. Как известно, при прохождении радиоволн через металлический лист преобладают дифракционные компоненты (сквозная компонента практически отсутствует). Из сравнения двух зависимостей видно, что дифракционная компонента при прохождении через лист фанеры, покрытый графитовой краской, соизмерима со сквозной компонентой на частотах менее 4 ГГц, а на частотах порядка 1 ГГц начинает доминировать.

Необходимо отметить, что на практике с помощью экранирующих материалов закрываются оконные проемы, поэтому представляет интерес оценка коэффициента прохождения радиоволн при размещении экрана перед окном. На рис. 7 приведена схема измерения коэффициента прохождения, моделирующая ситуацию экранирования помещения с оконным проемом. При этом имитируется прохождение радиоволн с улицы внутрь здания через окно.

Рис. 7 Схема измерения коэффициента прохождения через экранирующий материал в составе препятствия «стеклопакет + экран»

Производились измерения мощности сигнала и при отсутствии и наличии экранирующего материала соответственно. Расчет коэффициента прохождения экранирующего материала в составе препятствия «стеклопакет + экранирующий материал» производился по формуле

Частотная зависимость коэффициента прохождения листа фанеры, покрытого графитовой краской, относительно стеклопакета приведена на рис. 8, при расстоянии между экраном и стеклопакетом = 14 см и = 30 см. Расстояние между антеннами составляло 3 м.


Рис. 8. Частотные зависимости коэффициента прохождения через экран с графитовым покрытием, расположенный перед окном

Анализ рис. 8 показывает, что коэффициент прохождения носит осциллирующий характер, однако в диапазоне частот 800 МГц – 3 ГГц осцилляции обусловлены интерференцией дифракционных компонент поля, а в диапазоне 3 ГГц – 14 ГГц интерференцией сквозных волн многократно переотраженных между стеклопакетом и экранирующим материалом. Такой вывод обосновывается сравнением зависимостей при различных удалениях экрана от стеклопакета. И если в диапазоне 3-14 ГГц при уменьшении расстояния с 30 до 14 см частота осцилляций уменьшается в 2 раза (что обусловлено уменьшением разности хода между переотраженными волнами в резонаторе «стеклопакет – экран»), то в диапазоне частот 800 МГц – 3 ГГц зависимости практически не отличаются.

Из сравнения зависимостей, представленных на рис. 7 и 8, можно сделать следующий вывод: ослабление, вносимое экраном существенно зависит от условий распространения радиоволн, при этом за счет многократных переотражений между стеклопакетом и экраном может значительно отличаться (на 10 дБ и более) от ослабления, вносимого одним экраном, размещенным в свободном пространстве.

В качестве экранирующего материала кроме специально изготавливаемых металлизированных тканей и радиоотражающих покрытий может применяться обычная солнцезащитная пленка. Очевидно, что наличие металлизации делает солнцезащитную пленку радиоотражающей, поэтому представляет интерес измерение коэффициента прохождения радиоволн через пленку в исследуемом диапазоне частот.

На рис. 9 представлены частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через солнцезащитную пленку средней плотности (один и два слоя) размером 0,5 м × 1 м. Расстояние между антеннами составляло 1 м.


Рис. 9. Частотные зависимости коэффициента прохождения через солнцезащитную пленку

Из анализа рис. 9 видно, что коэффициент прохождения через один слой пленки в среднем составляет -40 дБ. Необходимо отметить, что экранирующие свойства обычной солнцезащитной пленки в среднем на 10 дБ превышают экранирующие свойства ткани МЕТАКРОН 1П4-Н3 (рис. 5). Таким образом, солнцезащитная пленка вполне может использоваться в качестве экранирующего материала. При этом пленка может наклеиваться на оконное стекло и применяться в качестве шторы на некотором удалении от окна.

На рис. 10 представлены частотные зависимости коэффициента прохождения одного слоя солнцезащитной пленки, расположенной перед окном на расстоянии 40 см. Расстояние между антеннами составляло 3 м.


Рис. 10. Частотная зависимость коэффициента прохождения радиоволн через солнцезащитную пленку, расположенную перед окном

Анализ зависимостей, представленных на рис. 10 показывает, что частотная зависимость коэффициента прохождения носит весьма изрезанный характер. На частотах 3 ГГц – 14 ГГц интерференционные осцилляции обусловлены резонансными переотражениями радиоволн между стеклопакетом и пленкой, при этом полученная зависимость качественно отличается от аналогичной зависимости коэффициента прохождения, представленной на рис. 8 (вместо периодических осцилляций наблюдается хаотические изменения коэффициента прохождения). Это объясняется неровной (волнистой) поверхностью пленки, используемой в экспериментах, в результате коэффициент отражения от пленки существенно зависел от частоты.

Прохождение радиоволн через стену.

Необходимо отметить, что при прохождении радиоволн внутрь здания ослабление вносимое стеной может быть существенно меньше ослабления экранированного оконного проема.

В работе приводятся результаты экспериментальных исследований ослабления радиоволн сплошными стенами различной толщины. Однако в настоящее время наружные стены зданий часто имеют слоистую структуру, например, «1-й слой кирпича – утеплитель – 2-й слой кирпича».

На рис. 11 представлены результаты измерения коэффициента прохождения через стену, состоящую из двух слоев кирпичной кладки толщиной 12 см и 9 см и воздушного пространства между ними 15 см (сплошная линия на рисунке). Необходимо отметить, что при проведении экспериментов использовалась модельная сухая стена, выполненная в виде внутренней перегородки здания. Для сравнения на рис. 11 также приведены усредненные значения коэффициента прохождения через сплошную внутреннюю кирпичную стену, полученные в работе и пересчитанные для толщины кирпичной кладки равной 21 см (штриховая линия).


Рис. 11. Коэффициент прохождение радиоволн через стену

Анализ рис. 11 показывает, что частотная зависимость коэффициента прохождения имеет осциллирующий характер, который обусловлен многочисленными преотражениями между двумя слоями кирпичной кладки. При этом на частотах выше 10 ГГц средний уровень коэффициента прохождения почти не меняется и даже несколько возрастает. При одинаковой суммарной толщине кирпичной кладки двухслойная стена вносит большее ослабление по сравнению с однослойной, что объясняется дополнительными потерями на отражение от границ раздела сред «воздух – кирпич» и «кирпич – воздух» при прохождении волны через второй слой стены.

Выводы.

Проведены экспериментальные исследования ослабления радиоволн при их прохождении через стену с оконным проемом. Экспериментально показано, что на частотах 3-12 ГГц ослабление радиоволн стеклопакетом весьма существенно вследствие значительного отражения радиоволн слоем стекла. При использовании экранирующих материалов недостаточно данных о коэффициентах прохождения сквозной волны, полученных в лабораторных условиях. На реальных трассах распространения радиоволн наряду со сквозной необходимо учитывать дифракционную компоненту, которая может вносить значительный вклад в результирующее поле. При размещении экранирующих материалов перед окном необходимо учитывать многочисленные отражения радиоволн в резонаторе «стеклопакет – экранирующий материал», которые приводят к существенным изменениям экранирующих свойств материалов.

Литература

1. Propagation data and prediction methods for the planning of short-range outdoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 100 GHz . Recommendation ITU-R P.1411-6, Geneva (02/2012).

2. Propagation data required for the design of broadcasting-satellite systems. Recommendation ITU - R P .679-3, (02/2001).

3. Металлизированная электропроводящая ткань Метакрон для защиты от излучений [Электронный ресурс]: ООО НПП «Техностиль». URL : http://www.metakron.ru

4. Радиоэкранирующие материалы [Электронный ресурс]: ООО НПП «Радиострим». URL: http://www.radiostrim.ru/ 100-screen.html .

5. А. И. Рыжов, В. А. Лазарев, Т. И. Мохсени, Д. В. Никеров, Ю. В. Андреев, А. С. Дмитриев, Н. П. Чубинский. Ослабление сверхширокополосных хаотических сигналов диапазона 3–5 ГГц при прохождении через стены зданий. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2012. N5. URL: http://сайт/jre/may12/1/text.pdf.

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.


схема передатчика и приемника Попова — Маркони

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.

В большинстве случаев приемная и передающая антенны или хотя бы одна из них размещаются на таких расстояниях от земной поверхности, при которых необходимо учитывать ее влияние на распространение радиоволн. При этом электрическое поле в месте приема можно представить как совокупность первичного поля, соответствующего полю вибратора в неограниченной однородной среде при отсутствии земной поверхности, и вторичного поля, обусловленного общим влиянием Земли на процессы распространения радиоволн.

Для определения величины напряженности электрического поля прежде всего необходимо знать электрические параметры - диэлектрическую проницаемость и проводимость различных видов земной поверхности. В табл. 2.1 указаны величины электрических параметров наиболее типичных видов земной поверхности в широком диапазоне волн. Эти величины определялись экспериментально по поглощению и отражению радиоволн различными поверхностями. Характерно, что для земной поверхности, однородной по глубине, во всем диапазоне радиоволн длиннее метровых параметры ε и γ не зависят от рабочей частоты, а на дециметровых и более коротких волнах ε уменьшается, а γ возрастает с повышением частоты.

Большая часть (71%) земного шара представляет собой водную поверхность. Электрические свойства воды зависят от степени ее солености: с увеличением солености увеличивается удельная электрическая проводимость γ (на волнах длиннее 3 см).

Условно рассматривают морскую и пресную воду, хотя содержание солей в воде различных морей неодинаково. Вода пресных водоемов также содержит различные примеси. Поэтому в табл. 2.1 указаны пределы возможного изменения величины γ.

Электрические свойства почвы зависят от ее структуры, степени влажности, однородности, температуры. С увеличением влажности электропроводность почвы возрастает.

Земная поверхность неоднородна по глубине. Обычно ее можно представить как структуру, состоящую из верхнего слоя, имеющего толщину не больше нескольких метров, и нижнего, простирающегося до бесконечности. Соотношение диэлектрических проницаемостей и проводимостей слоев может быть различным. Так, если верхний слой более влажный, а ниже идет сухой грунт, то величины ε и γ в верхнем слое больше, чем в нижнем; при промерзании верхнего слоя его параметры ε и γ могут стать меньше, чем в нижнем слое.

Растительность, снег, лед, покрывающие почву, можно рассматривать как полупроводящие слои, лежащие на поверхности почвы.

Оценим соотношение плотности токов проводимости и токов смещения в различных видах земной поверхности. Используя формулу (1.38) и параметры ε и γ, указанные в табл. 2.1, видим, что для морской воды равенство плотности токов проводимости и токов смещения наступает при длине волны


Поэтому для радиоволн сантиметрового диапазона морскую воду можно считать диэлектриком.

Для влажной почвы условие 60γλ / ε = 1 выполняется на волне


Влажную почву можно рассматривать как диэлектрик для метровых и более коротких волн.

Таким образом, для волн сантиметрового диапазона все виды земной поверхности имеют свойства, близкие к свойствам идеального диэлектрика.

Коэффициенты поглощения α и фазовой скорости β при распространении радиоволн в морской воде и влажной почве, на низких частотах, как видно из формулы (1.57), возрастают с повышением частоты. На высоких частотах эти величины, согласно уравнениям (1.54) и (1.56), перестают изменяться с повышением частоты, как это имеет место в идеальном диэлектрике. Графики частотной зависимости α и υ ф представлены на рис. 2.1 и 2.2.

Из графиков видно, что поглощение радиоволн в морской воде значительно превышает поглощение радиоволн во влажной почве.

В учебниках по физике приведены заумные формулы на тему диапазона радиоволн, которые порой не до конца понятны даже людям со специальным образованием и опытом работы. В статье постараемся разобраться с сутью, не прибегая к сложностям. Первым, кто обнаружил радиоволны, был Никола Тесла. В своем времени, где отсутствовало высокотехнологичное оборудование, Тесла не до конца понимал, что это за явление, которое он впоследствии назвал эфиром. Проводник с переменным электрическим током является началом радиоволны.

Источники радиоволн

К природным источникам радиоволн относятся астрономические объекты и молнии. Искусственным излучателем радиоволн является электрический проводник с движущимся внутри переменным электрическим током. Колебательная энергия распространяется в окружающее пространство посредством радиоантенны. Первым рабочим источником радиоволн был радиопередатчик-радиоприёмник Попова. В этом устройстве функцию высокочастотного генератора выполнял высоковольтный накопитель, подключенный на антенну − вибратор Герца. Созданные искусственным способом радиоволны применяются для стационарной и мобильной радиолокации, радиовещания, радиосвязи, спутников связи, навигационных и компьютерных систем.

Диапазон радиоволн

Применяемые в радиосвязи волны находятся в диапазоне частот 30 кГц − 3000 ГГц. Исходя из длины и частоты волны, особенностей распространения, диапазон радиоволн подразделяется на 10 поддиапазонов:

  1. СДВ - сверхдлинные.
  2. ДВ - длинные.
  3. СВ - средние.
  4. КВ - короткие.
  5. УКВ - ультракороткие.
  6. МВ - метровые.
  7. ДМВ - дециметровые.
  8. СМВ - сантиметровые.
  9. ММВ - миллиметровые.
  10. СММВ - субмиллиметровые

Диапазон частот радиоволн

Спектр радиоволн условно поделен на участки. В зависимости от частоты и длины радиоволны подразделяются на 12 поддиапазонов. Диапазон частот радиоволн взаимосвязан с частотой переменного тока сигнала. радиоволн в международном регламенте радиосвязи представлены 12 наименованиями:


При увеличении частоты радиоволны ее длина уменьшается, при уменьшении частоты радиоволны - увеличивается. Распространение в зависимости от своей длины - это важнейшее свойство радиоволны.

Распространение радиоволн 300 МГц − 300 ГГц называют сверхвысокими СВЧ вследствие их довольно высокой частоты. Даже поддиапазоны очень обширны, поэтому они, в свою очередь, поделены на промежутки, в которые входят определенные диапазоны телевизионные и радиовещательные, для морской и космической связи, наземной и авиационной, для радиолокации и радионавигации, для передачи данных медицины и так далее. Несмотря на то что весь диапазон радиоволн разбит на области, обозначенные границы между ними являются условными. Участки следуют друг за другом непрерывно, переходя один в другой, а иногда и перекрываются.

Особенности распространения радиоволны

Распространение радиоволн - это передача энергии переменным электромагнитным полем из одного участка пространства в другой. В вакууме радиоволна распространяются со При воздействии окружающей среды на радиоволны распространение радиоволн может быть затруднено. Это проявляется в искажении сигналов, изменении направления распространения, замедлении фазовой и групповой скоростях.

Каждая из разновидностей волн применяется по-разному. Длинные лучше могут обходить преграды. Это означает, что диапазон радиоволн может распространяться по плоскости земли и воды. Применение длинных волн широко распространено в подводных и морских суднах, что позволяет быть на связи в любой точке местонахождения в море. На в шестьсот метров с частотой пятьсот килогерц настроены приемники всех маяков и спасательные станций.

Распространение радиоволн в различных диапазонах зависит от их частоты. Чем меньше длина и выше частота, тем прямее будет путь волны. Соответственно, чем меньше ее частота и больше длина, тем она более способна огибать преграды. Каждый диапазон длин радиоволн обладает своими особенностями распространения, однако на границе соседних диапазонов резкого изменения отличительных признаков не наблюдается.

Характеристика распространения

Сверхдлинные и длинные волны огибают поверхность планеты, распространяясь поверхностными лучами на тысячи километров.

Средние волны подвержены более сильному поглощению, поэтому способны преодолевать расстояние лишь 500-1500 километров. При уплотнении ионосферы в данном диапазоне возможна передача сигнала пространственным лучом, который обеспечивает связь на несколько тысяч километров.

Короткие волны распространяются лишь на близкие расстояния вследствие поглощения их энергии поверхностью планеты. Пространственные же способны многократно отражаться от земной поверхности и ионосферы, преодолевать большие расстояния, осуществляя передачу информации.

Сверхкороткие способны передавать большой объем информации. Радиоволны этого диапазона проникают сквозь ионосферу в космос, поэтому для целей наземной связи практически непригодны. Поверхностные волны этих диапазонов излучаются прямолинейно, не огибая поверхность планеты.

В оптических диапазонах возможна передача гигантских объемов информации. Чаще всего для связи используется третий диапазон оптических волн. В атмосфере Земли они подвержены затуханию, поэтому в реальности передают сигнал на расстояние до 5 км. Зато использование подобных систем связи избавляет от необходимости получать разрешения от инспекций по электросвязи.

Принцип модуляции

Для того чтобы передать информацию, радиоволну нужно модулировать сигналом. Передатчик испускает модулированные радиоволны, то есть измененные. Короткие, средние и длинные волны имеют амплитудную модуляцию, поэтому они обозначаются как АМ. Перед модуляцией несущая волна движется с постоянной амплитудой. Амплитудная модуляция для передачи изменяет ее по амплитуде, соответственно напряжения сигнала. Амплитуда радиоволны изменяется прямо пропорционально напряжению сигнала. Ультракороткие волны имеют частотную модуляцию, поэтому они обозначаются как ЧМ. накладывает дополнительную частоту, которая несет информацию. Для передачи сигнала на расстояние его нужно промодулировать более высокочастотным сигналом. Для принятия сигнала нужно отделить его от поднесущей волны. При частотной модуляции помех создается меньше, однако радиостанция вынуждена вещать на УКВ.

Факторы, влияющие на качество и эффективность радиоволн

На качество и эффективность приема радиоволн влияет метод направленного излучения. Примером может послужить спутниковая антенна, которая направляет излучение в точку нахождения установленного приемного датчика. Этот метод позволил существенно продвинуться в области радиоастрономии и сделать множество открытий в науке. Он открыл возможности создания спутникового вещания, беспроводным методом и многое другое. Выяснилось, что радиоволны способны излучать Солнце, многие планеты, находящиеся вне нашей Солнечной системы, а также космические туманности и некоторые звезды. Предполагается, что за пределами нашей галактики существуют объекты, обладающие мощными радиоизлучениями.

На дальность радиоволны, распространение радиоволн оказывают влияние не только солнечное излучение, но и метеоусловия. Так, метровые волны, по сути, не зависят от метеоусловий. А дальность распространения сантиметровых сильно зависит от метеоусловий. Происходит из-за того, что водной среде во время дождя или при повышенном уровне влажности в воздухе короткие волны рассеиваются или поглощаются.

Также на их качество влияют и препятствия, оказывающиеся на пути. В такие моменты происходит замирание сигнала, при этом значительно ухудшается слышимость или вообще пропадает на несколько мгновений и более. Примером может послужить реакция телевизора на пролетающий самолет, когда мигает изображение и появляются белые полосы. Это происходит за счет того, что волна отражается от самолета и проходит мимо антенны телевизора. Такие явления с телевизорами и радиопередатчиками чаще происходят в городах, поскольку диапазон радиоволн отражается на зданиях, высотных башнях, увеличивая путь волны.