Основные принципы радиосвязи. Излучение и распространение радиоволн

7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА РАДИОВОЛН

7.1. Электродинамические основы

7.1.1. Постановка задачи

7.1.2. Векторный и скалярный потенциалы электромагнитного поля

7.1.3. Калибровка потенциалов. Неоднородное уравнение Гельмгольца

7.1.4. Решение неоднородного уравнения Гельмгольца

Свойства распространения электромагнитных волн

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

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

Настройка и избирательность

Особенности распространения средних волн и перекрёстная модуляция

Особенности распространения коротких волн и их характеристики

Замирание радиосигналов диапазона КВ

Расчет радиуса покрытия радиосигналом в УКВ/FM диапазонах

Н. - А как принимают радиоволны?

Л. - С помощью приемной антенны, представляющей собой проводник, находящийся на пути распространения волн, проходя по которому, электромагнитные волны наводят в нем токи высокой частоты. Эти волны без какого бы то ни было ослабления проходят через диэлектрики. Однако, наводя токи в проводниках, они теряют часть своей энергии.

Н. - Ты меня пугаешь, Любознайкин. Человеческое тело - проводник электричества. Следовательно, волны всех радио- и телевизионных передатчиков наводят в моем теле токи?

Л. - Несомненно, но успокойся: эти токи чрезвычайно малы и никоим образом не могут причинить тебе вреда.

Н. - Тем лучше. А как они ведут себя в радио- или телевизионных приемниках?

Л. - Здесь наводимые ими токи тоже очень малы. Антенна непосредственно или индуктивно соединена с входным колебательным контуром приемника. Если контур настроен на частоту принимаемых волн, то благодаря явлению резонанса в контуре возникает относительно большой ток.

Антенна через катушку должна быть заземлена. Если колебательный контур включен непосредственно между антенной и заземлением (рис. 44) и если он точно настроен на частоту принимаемых волн, его сопротивление большое, поэтому падение напряжения, создаваемое токами антенны на выводах контура, относительно высокое.

Н. - А что произойдет, если контур окажется не в резонансе с принимаемыми волнами?

Л. - В этом случае его полное сопротивление станет меньше, что приведет к снижению напряжения на выводах контура.

Рис. 44. В приемнике контур настройки может включаться непосредственно между антенной и заземлением (а) или же индуктивно связываться с катушкой, по которой протекают токи, наводимые принимаемыми сигналами (б).

Рис. 45. Кривые, показывающие, как изменяется напряжение U на колебательном контуре в зависимости от частоты сигнала . Кривые представлены для контура с низкой (а) и высокой (б) избирательностью.

Рис. 46. Переключение с одного диапазона воли на другой осуществляется переключением катушек (а) или части витков одной катушки (б).

Это то самое явление, которое лежит в основе избирательности контура, его способности наилучшим образом принимать частоты, на которые он настроен.

Измеряя напряжение на выводах контура для различных частот, можно вычертить кривую избирательности, показывающую, как изменяется напряжение в зависимости от частоты (рис. 45).

Н. - А что определяет форму этой кривой? Я имею а виду прежде всего ее большую или меньшую ширину, так как чем уже эта кривая, тем выше, на мой взгляд, избирательность контура.

Л. - И ты не ошибаешься. Избирательность определяется коэффициентом затухания контура. Этот коэффициент в основном зависит от активного сопротивления катушки, вносящего в контур потери.

Н. - А каким образом удается установить колебательный контур в резонанс с частотой передачи, которую желают принять?

Л. - Для этого настраивают контур на требуемую частоту соответствующим изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Если использовать конденсатор переменной емкости, настройку можно осуществить плавно. Что же касается индуктивности, то ее обычно меняют скачками для переключения диапазонов, например чтобы перейти с длинных волн на короткие. Для этой цели служит переключатель, позволяющий заменить одну катушку другой или использовать часть витков одной катушки, имеющей специальные отводы (рис. 46). Раньше использовали также катушки с плавным изменением индуктивности. Примером такого устройства может служить вариометр, состоящий из двух последовательно соединенных катушек, одну из которых можно было вращать внутри другой и, таким образом, изменять их взаимную индукцию.

Н. - Хорошо. Я понял, как излучают волны и как их принимают. Но каким образом заставляют волны передавать звук или изображение? И как при приеме удается их воспроизводить?

Л. - Все это потребует немало объяснений. Мой дядюшка и я сам сможем теперь приступить к этим вопросам, так как ты постиг основы общей электротехники.

В фильтре на рис. 6.18, в две перекрещивающиеся полосковые линии при отсутствии гиромагнитного резонанса практически развязаны между собой, поскольку связи через магнитное поле нет, а электрическое поле в месте пересечения линий минимально, так как точка пересечения рас-

положена на расстоянии λ в /4 от разомкнутых концов полосковой линии. В точке пересечения между проводниками полосковых линий помещена ферритовая сфера, намагничиваемая управляющим полем, перпендикулярным плоскости основания полосковой платы. При гиромагнитном резонансе появляется составляющая поля магнитной индукции, продольная по отношению к возбуждающей линии передачи, и это приводит к возникновению сильной связи между полосковыми линиями.

Характеристики передачи рассмотренных фильтров носят ярко выраженный резонансный характер, причем резонансные частоты могут быть значительно изменены при регулировании поля подмагничивания. Для улучшения формы частотной характеристики в фильтрах используется несколько связанных между собой ферритовых резонаторов.

Антенна – непременная составная часть любой радиотехнической системы. Передающая антенна преобразует направляемые электромагнитные волны, движущиеся от генератора по фидерной линии к входу антенны, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства. Приемная антенна, напротив, преобразует падающие на нее свободные волны в направляемые волны фидера, подводящие принятую мощность к входу приемника. Из назначения передающих и приемных антенн следует, что они относятся к классу взаимно обратимых преобразователей энергии. Важное значение имеет принцип обратимости антенн, согласно которому в большинстве практических случаев передающая антенна может использоваться для приема электромагнитных волн и наоборот.

Для эффективного функционирования радиосистемы входящие в нее антенны должны удовлетворять определенным требованиям и, в первую очередь, следующим двум:

антенна должна распределять электромагнитную мощность в пространстве или реагировать на приходящее электромагнитное поле по определенному закону, т.е. иметь заданную характеристику направленности;

процесс излучения или приема электромагнитных волн не должен сопровождаться бесполезным расходом высокочастотной энергии на омические потери, т. е. нагрев, внутри антенны. Другими словами, антенна должна иметь как можно более высокий коэффициент полезного действия.

Область применения антенн в современной радиотехнике чрезвычайно широка. Предельные возможности современных радиотехнических устройств по дальности, точности пеленгации и угловому разрешению целей и многие другие определяются технически достижимыми параметрами антенных устройств и, в первую очередь, шириной формируемого луча, т. е. направленностью действия.

Во многих практических задачах из области излучающих антенн требуется непосредственно связать величину сторонних электрических токов – источников электромагнитного поля – с векто-

рами E иH этого поля в любых точках пространства. Эти задачи получили название внешних задач антенной теории и базируются на основных уравнениях электродинамики– уравнениях Максвелла. Их решение сводится к решению неоднородной системы уравнений Максвелла, которая для гармонических во времени электромагнитных процессов может быть записана следующим образом:

Здесь для простоты предполагается, что плотность объемного заряда ρ=0. Плотность стороннего электрического тока в правой части первого уравнения системы (7.1) – известная векторная функция пространственных координат для конкретной антенны.

Непосредственное решение системы (7.1), как правило, весьма сложно, поскольку здесь необходимо определить шесть неизвестных составляющих векторов Е иН . Поэтому целесообразно ввести некоторые вспомогательные функции, упрощающие решение и позволяющие одновременно найти векторы напряженности электрического и магнитного полей. Подобные вспомогательные функции в электродинамике носят название потенциалов электромагнитного поля. Отметим, что третьему уравнению системы (7.1) удовлетворяет векторное полеВ , определяемое по формуле

Соотношения (7.2) и (7.3) весьма неопределенны, поскольку единственное условие, налагаемое на

A э – это дифференцируемость, обеспечивающая существование ротора данного векторного поля. Попытаемся при помощи электрического векторного потенциала определить вектор напряжен-

ности электрического поля. Для этого подставим (7.3) во второе уравнение системы (7.1): rot E +i ω rotA э = 0, т. е.

Здесь ϕ э – некоторая скалярная функция, или скалярный электрический потенциал. Выбор знака в правой части (7.5) обусловлен тем, что в соответствии с известным соотношением электроста-

тики для полей, не зависящих от времени, справедливо равенство E = –gradϕ э . При этом сохраняется традиционное направление стрелок на силовых линиях электрического поля от положительных к отрицательным электрическим зарядам.

Итак, найден способ выражения векторов электромагнитного поля через векторный и скалярный электрические потенциалы: формула (7.3) и


E =− grad φ		− iω A

e − i γ R

Раскрывая операцию rot rot, получаем

		)−		−γ
grad (div A	I ωεa μa φ	)−		−γ			= μа J ст ,

где 2 – оператор Лапласа.

До сих пор не накладывалось никаких ограничений на функции A э иϕ э . Потребуем теперь, чтобы оба потенциала удовлетворяли следующему соотношению:

		I ωεa μa φ
div A

Формула (7.8) носит название соотношения калибровки потенциалов. Из-за произвольного вы-

бора функций A э иϕ э (7.8) может быть удовлетворено в любом случае. Заметим, что наложение условий (7.8) значительно упрощает уравнение (7.7), которое принимает вид

							=−μ а J ст .

В результате получили неоднородное уравнение Гельмгольца относительно векторного электрического потенциала; в его правой части стоит известная функция распределения плотности стороннего электрического тока. Кроме того, операция калибровки потенциалов (7.8) позволяет выразить оба вектора электромагнитного поля через единственную функцию – электрический векторный потенциал:


i ωεa μa		(grad div A	+ γ
i ωεa μa


	rot A

Решим неоднородное уравнение Гельмгольца на основе простых физических допущений. Предположим, что сторонние электрические токи локализованы в некотором объеме V (рис.7.1); интенсивность возбуждаемого поля должна быть определена в точкеР , не принадлежащейV .

Рассмотрим элементарный объем ∆ V , окружающий точкуQ , лежащую внутриV . Очевидно, что интенсивность поля в точке наблюденияР , возникающего под действием токов, протекающих

внутри ∆ V , пропорциональна произведениюJ ст (Q )∆ V . ЗдесьJ ст (Q ) – некоторое среднее значе-

ние плотности стороннего тока, которое можно считать постоянным внутри ∆ V из-за малости последнего. Дальнейший путь решения уравнения (7.9) заключается в следующем. Ввиду линейности уравнений Максвелла рассматриваемая система удовлетворяет принципу суперпозиции. В

P соответствии с этим принципом полное решение неоднородного уравнения Гельмгольца может быть получено как сумма всех воздействий, вы-

		J ст		зываемых в точке Р отдельными элементарными объемами. С физической
				точки зрения ясно, что по своей природе данные воздействия представля-

				ют собой сферические волны, распространяющиеся из отдельных точек
				объема V и уносящие электромагнитную энергию в бесконечность. Из-
				вестно, что комплексная амплитуда сферической волны пропорциональна

/ R . Здесь в соответствии с обозначениями, принятыми на рис. 7.1,R – текущее значение модуля радиуса-вектора, соединяющего точкиР и

Q ,γ – постоянная распространения.

Таким образом, с точностью до множителя пропорциональности величина элементарного воздействия, вызываемого в точке Р объема∆ V , рав-

торного потенциала в точке наблюдения может быть найдена суммированием элементарных воздействий:

А э (Р ) ~∑ J ст (Q i )e − l γ R		∆ V i.

Генераторы и приемники радиоволн

В 1873 г. знаменитый английский ученый Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», привлекший внимание ученых всех стран. Основываясь на физических опытах Фарадея, Томсона и других ученых, Максвелл математически доказал, что любой металлический проводник, по которому течет переменный ток, излучает в пространство электромагнитные волны. Эти волны распространяются со скоростью света (300 000 километров в секунду) и имеют ту же природу, что и свет. Для электромагнитных волн имеются «непрозрачные» тела - металлы, которые поглощают и отражают эти волны. Другие тела, например непроводники электрического тока, являются для них «прозрачными» и не создают почти никакого препятствия. Максвелл утверждал, что электромагнитные волны, представляющие собой совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных сил, обладают определенной энергией.

Многие ученые недоверчиво встретили теорию Максвелла. Лишь спустя пятнадцать лет немецкий ученый Генрих Герц у себя в лаборатории сумел получить электромагнитные волны и обнаруживать их на расстоянии до 3 метров. Однако Герц не видел возможности использования электромагнитных волн для практических целей.

Замечательный русский ученый А. С. Попов 7 мая 1895 года продемонстрировал свой первый в мире радиоприемник и высказал надежду, что «прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний». Так оно и получилось: менее чем через год, 24 марта 1896 г., А. С. Поповым и его помощником П. И. Рыбкиным была установлена радиосвязь на расстоянии 250 метров и передана первая в мире радиограмма. Радио было поставлено на службу человеку.

С тех пор прошло шестьдесят лет. За это время ученые двинули далеко вперед науку об электромагнитных колебаниях. Они доказали, что не только радиоволны, но и видимый свет, тепловые и рентгеновские лучи - есть электромагнитные колебания, отличающиеся друг от друга только длиной волны и частотой. Среди электромагнитных колебаний наибольшую длину волны имеют радиоволны- от нескольких миллиметров до многих километров.

По мере развития радиотехники совершенствовались и методы получения, или генерирования, радиоволн. Если в первых генераторах радиоволны возникали благодаря проскакиванию электрической искры в шаровом разряднике, то позднее их стали получать с помощью десятков других, более совершенных устройств.

Коротко остановимся на устройстве современных генераторов радиоволн.

Основой любого радиогенератора служит так называемый колебательный контур, состоящий из двух главных частей: проволочной катушки индуктивности и конденсатора (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид и схема устройства колебательного контура.

Электрический конденсатор - это две металлические пластины, разделенные слоем изолятора: слюды, бумаги или просто воздуха. Прибор этот обладает замечательной способностью: он может запасать электрическую энергию - на его пластинах могут сосредоточиваться электрические заряды - на одной положительные, на другой отрицательные. Конденсаторы отличаются друг от друга своей емкостью - способностью вмещать в себя заряды. Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше емкость конденсатора и, следовательно, тем больше энергия, которую он может запасти.

Катушка индуктивности по внешнему виду напоминает катушку ниток, но здесь на каркас намотана не хлопчатобумажная нить, а покрытый изоляцией металлический провод. Если через такую катушку пропускать электрический ток, то вокруг нее возникает сильное магнитное поле.

В колебательном контуре колеблются электроны. Чтобы колебания возникли, необходимо «подтолкнуть» электроны, сообщить им некоторое количество энергии. Это можно сделать, если на мгновение подключить к конденсатору электрическую батарею. Конденсатор зарядится: на одной из пластин будет избыток электронов, а на другой недостаток; между пластинами образуется электрическое поле, в котором и запасается полученная от батареи энергия.

Сразу же после зарядки конденсатора электроны, имевшиеся в избытке на одной из его пластин, устремляются через катушку на другую пластину. В контуре возникает электрический ток.

Хотя катушка сделана из металлической проволоки, она оказывает сильное противодействие возникшему току. Вокруг ее витков образуется магнитное поле, в котором запасается часть энергии, полученной конденсатором при зарядке. Благодаря этому в момент, когда конденсатор разрядится полностью, ток в контуре не прекратится. Он будет течь в том же направлении, но уже не под влиянием энергии конденсатора, а под влиянием энергии, запасенной катушкой. Когда же катушка отдаст свою энергию, ее магнитное поле исчезнет, конденсатор контура снова окажется заряженным, но избыток электронов в этом случае будет на той пластине, на которой вначале их недоставало.

Вновь зарядившийся конденсатор опять начинает разряжаться через катушку, и в контуре снова возникает электрический ток, но уже обратного направления.

Так в колебательном контуре возникают колебания многих миллионов электронов. Эти колебания продолжаются до тех пор, пока вся энергия, запасенная конденсатором при зарядке, не израсходуется на нагревание проводов и на другие потери.

Чтобы поддерживать колебания в этом «электрическом маятнике», необходимо восполнять потери энергии в нем, производить в такт с колебаниями «подзарядку» конденсатора. Никакое механическое устройство не справится с этой работой, так как оно не в состоянии обеспечить сотни тысяч переключений каждую секунду. Только изобретение радиолампы позволило осуществить такой генератор, в котором электрические колебания могут существовать сколь угодно длительное время.

Радиолампа - это стеклянный или металлический баллон, из которого тщательно выкачан воздух. В баллоне имеются электроды. В простейшей радиолампе их три: катод, анод и так называемая сетка (см. рис. 2).

Рис. 2. Так устроена радиолампа.

Катод представляет собой металлическую нить, изготовленную из такого материала, который при нагревании может в большом количестве испускать электроны. Анод имеет форму металлического цилиндра или пластины, на него подается положительное напряжение от анодной батареи. Под действием электрических сил электроны, вылетевшие из катода, устремляются к аноду, и через лампу начинает течь электрический ток.

Между катодом и анодом находится третий электрод - сетка. Это спираль из тонкой проволоки. Если на сетке есть электрический заряд, то она может либо увеличивать, либо уменьшать ток через лампу. В связи с этим сетку, расположенную вблизи от катода, называют управляющей: изменяя ее заряд, можно управлять током, протекающим через лампу.

Электроды лампы так подключены к колебательному контуру, что контур в такт с возникшими в нем колебаниями постоянно получает все новые и новые порции энергии, которые восполняют электрические потери.

Совместное действие электрической батареи и лампы аналогично действию пружины в часах, не позволяющей маятнику остановиться.

Частота колебаний в радиогенераторе зависит от того, какова емкость конденсатора и как велико число витков катушки индуктивности. Изменяя эти величины, можно создавать (генерировать) колебания в сотни тысяч и миллионы колебаний в секунду.

Таким образом, при помощи радиолампы и колебательного контура удается преобразовать энергию постоянного тока, заключенную в анодной батарее, в энергию переменного тока высокой частоты. Однако полученные при помощи одной лампы высокочастотные колебания тока по своей мощности очень слабы. Если этот высокочастотный ток направить в антенну передатчика, то она почти не будет излучать радиоволны.

Чтобы создать в антенне радиопередатчика мощные высокочастотные токи, производят усиление электрических колебаний. Для этой цели используются другие радиолампы, имеющие свои конструктивные особенности. Они называются в отличие от генераторных ламп усилительными.

Подавая на управляющую сетку усилительной лампы слабые электрические колебания, в анодной цепи этой лампы получают электрические колебания той же частоты. Но «размах» колебаний увеличивается в десятки раз. Если и этого оказывается недостаточно, то прибегают к помощи еще одной усилительной лампы и т. д.

На крупных радиостанциях получение мощных электромагнитных колебаний производится с помощью ламп, имеющих нередко водяное охлаждение (для отвода излишнего тепла) и достигающих по высоте человеческого роста.

Радиоволны, излучаемые антенной передатчика, обладают энергией. Достигая металлического провода приемной антенны, они отдают часть этой энергии свободным электронам, которых в металлах очень много. Подобно тому, как плавающая на воде пробка начинает колебаться, когда к ней подходят волны от брошенного камня, так и электроны повторяют все изменения электромагнитного поля. В антенне приемника возникает переменный ток, частота которого зависит от длины пришедшей радиоволны.

Окружающее пространство заполнено, множеством различных электромагнитных волн. Поэтому и в антенне радиоприемника циркулирует огромное количество разнообразных токов.

Назначение радиоприемника как раз и состоит в том, чтобы выбрать из большого числа возникающих в приемной антенне токов лишь тот ток, который создан радиоволнами какой-либо одной определенной станции.

В приемнике, как и в передатчике, важнейшей частью является колебательный контур. К нему и подключается приемная антенна. Этот контур выполняет роль «сита» - он отсеивает все высокочастотные токи, кроме одного, на частоту которого он настроен. Настройка контура изменяется поворотом рукоятки конденсатора, что позволяет принимать различные радиостанции.

После «отбора» нужной радиоволны происходит усиление выделенного сигнала. Это делается, как и в передатчике, с помощью радиоламп. По размерам эти приемно-усилительные лампы во много раз меньше мощных ламп передатчика. Усиленный до необходимой величины сигнал после некоторых преобразований заставляет звучать громкоговоритель, или приводит в действие телеграфный аппарат.

Отличие радиоэлектронных устройств от других электрических приборов заключается в том, что радиоэлектронное устройство обязательно имеет в своей схеме радиолампу или другой электронный прибор - фотоэлемент, электронно-лучевую трубку, полупроводниковый элемент и т. п.

Выше было коротко рассказано о том, как работает трехэлектродная лампа, т. е. лампа, состоящая из катода, анода и управляющей сетки. В современных радиосхемах используются и более сложные лампы, имеющие не одну, а две, три и больше сеток. Более сложные лампы обладают лучшими техническими характеристиками.

Изменение поданного на управляющую сетку лампы напряжения вызывает, как уже отмечалось, изменение величины тока, текущего через лампу. Нужно отметить важную особенность этого явления: оно происходит почти мгновенно. И в этом - огромное преимущество радиоламп. Стоит подвести на сетку большое отрицательное напряжение, ток через лампу мгновенно прекратится, если же затем подать положительное напряжение, ток снова появится.

Благодаря своей способности быстро отзываться на малейшие изменения электрического сигнала электронную лампу часто называют безынерционным реле, т. е. таким устройством, которое почти не обладает инерцией и мгновенно реагирует на малейшие изменения режима работы.

Эта особенность радиоламповых схем явилась одной из причин широкого внедрения электроники в современную технику.

Использование электронных приборов

За шестьдесят лет развития радиотехники создано огромное количество радиоэлектронных устройств, имеющих самое различное назначение. Ни одно крупное современное сооружение не обходится без применения электронных ламп. Например, современный тяжелый самолет имеет радиооборудование, включающее в себя около 1000 различных радиоламп и других электровакуумных приборов. На крупном морском корабле их уже насчитывается более 9 тысяч, не считая ламп во взрывателях снарядов и торпед. Электронная аппаратура современного самолета стоит почти столько же, сколько стоит сам самолет. Современные электронные математические машины имеют десятки тысяч ламп.

Если внимательно познакомиться со всем многообразием радиоэлектронных устройств, то можно отчетливо различить основные линии их использования, что соответствует основным направлениям развития радиотехники.

Все радиоэлектронные устройства по своему использованию можно разделить на три большие группы:

Первая группа - это радиоэлектронные устройства, используемые для целей радиосвязи, или передачи сигналов на расстояние без проводов.

Передача сигналов с помощью радиоволн успешно применяется в радиовещании, радиосвязи, телевидении, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, радиометеорологии и т. д.

Вторую группу составляют радиоэлектронные устройства, используемые для нагрева, различных веществ. Эти устройства не излучают и не принимают радиоволн, созданная ими высокочастотная энергия превращается в тепло, которое используется в различных производствах - металлургическом, деревообрабатывающем и др. Высокочастотный нагрев широко используется и в медицине как средство лечения.

К радиоэлектронным эти устройства относятся потому, что в них широко используются высокочастотные генераторы, волноводы и другие чисто «радиотехнические» элементы.

К третьей, самой большой группе радиоэлектронных устройств относятся устройства, применяемые в различных контрольных и измерительных приборах, счетных машинах, а также в установках для автоматизации производственных процессов и для управления механизмами на расстоянии.

Радиосхемы этих устройств включают электронные лампы, фотоэлементы, электронно-лучевые трубки и другие приборы. Эти схемы не возбуждают радиоволн в пространстве и не являются источником тепла. Однако в них широко используются генераторы электромагнитных колебаний, ламповые усилители, выпрямители и другие «радиотехнические» элементы. Количественно эта группа радиоэлектронных устройств наиболее многочисленна.

Конечно, такое разделение радиоэлектронных устройств на группы очень условно. Так, современные мощные радиовещательные устройства включают в себя большое число электронных схем, служащих для контроля за работой различных узлов передатчика и обеспечивающих автоматизацию их работы. Это относится и к радиолокационным станциям, к установкам для высокочастотного нагрева и к другим электронным устройствам.

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

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.

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.

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

Радиоволны, и их распространение, являются неоспоримой загадкой для начинающих любителей эфира. Здесь можно познакомиться с азами теории распространения радиоволн. Данная статья предназначена для ознакомления начинающих любителей эфира, а также и для тех, кто имеет некоторое представление о нём.

Самая главная вводная, про которую часто забывают сказать, прежде чем познакомить с теорией распространения радиоволн, так это то, что радиоволны распространяются вокруг нашей планеты за счет отражения от ионосферы и от земли как от полупрозрачных зеркал отражается луч света.

К средним волнам относятся радиоволны длиной от 1000 до 100 м (частоты 0,3 — 3,0МГц). Средние волны используются главным образом для вещания. А так же они являются колыбелью отечественного радиопиратства. Они могут распространяться земным и ионосферным путём. Средние волны испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, дальность распространения земной волны 1, (см. рис. 1), ограничена расстоянием 500-700 км. На большие расстояния радиоволны 2 и 3 распространяются ионосферной (пространственной) волной.

В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы (см. рис. 2), электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения волны расположен слой D, чрезвычайно сильно поглощающий средние волны. Поэтому при обычных мощностях передатчиков, напряженность электрического поля недостаточна для приема, и в дневные часы распространение средних волн происходит практически только земной волной на сравнительно небольшие расстояния, порядка 1000 км. В диапазоне средних волн, более длинные волны испытывают меньшее поглощение, и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

В ночные часы см. рис. 1, на некотором расстоянии от передатчика (точка В), возможен приход одновременно пространственной 3 и поверхностной волн 1, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому ближним замиранием поля.

На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны 2 и 3 путем одного и двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому дальним замиранием поля.

Для борьбы с замираниями на передающем конце линии связи применяются антенны, у которых максимум диаграммы направленности «прижат» к земной поверхности, к ним можно отнести простейшую антенну «Inverted-V», достаточно часто применяемую радиолюбителями. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

К сожалению не все начинающие радиовещатели, работающие в диапазоне частот 1600-3000кГц знают, что слабый сигнал от маломощного передатчика подвержен ионосферным искажениям. Сигнал от более мощных радиопередатчиков ионосферным искажениям подвержен меньше. Ввиду нелинейной ионизации ионосферы, происходит модуляция слабого сигнала модулирующим напряжением сигналов мощных станций. Это явление называется перекрестной модуляцией. Глубина коэффициента модуляции достигает 5-8%. Со стороны приема создаётся впечатление не качественно выполненного передатчика, со всевозможными гулами и хрипами, особенно это заметно в режиме АМ модуляции.

За счет перекрестной модуляции в приемник часто проникают интенсивные грозовые помехи, которые невозможно отфильтровать — грозовой разряд модулирует принимаемый сигнал. Именно по этой причине радиовещатели для проведения двусторонней радиосвязи стали применять однополосные передатчики и стали чаще работать на более высоких частотах. Зарубежные радиовешатели СВ станций, умощняют их, и подвергают компрессии модулирующие сигналы, а для неискаженной работы в эфире, применяют инверсные частоты.

Явления демодуляции и перекрестной модуляции в ионосфере наблюдаются только в диапазоне средних волн (СВ). В диапазоне коротких волн (КВ) скорость электрона под действием электрического поля ничтожно мала по сравнению с его тепловой скоростью и присутствие поля не меняет числа столкновений электрона с тяжелыми частицами.

Наиболее благоприятны, в диапазоне частот от 1500 до 3000кГц для дальних связей, являются зимние ночи и периоды минимума солнечной активности. Особо дальние связи, более 10000 км, обычно возможны в часы захода и восхода солнца. В дневные часы связь возможна на расстояние до 300 км. Свободные радиовещатели FM диапазона могут только позавидовать таким большим радиотрассам.

В летнее время на этом диапазоне часто мешают помехи от статических разрядов в атмосфере.

К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3-30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно легко создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные, в низкочастотной части диапазона, и как ионосферные.

С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. На морской глади, это расстояние значительно увеличивается.

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым см. рис. 2 и характеризуется расстоянием скачка, числом скачков, углами выхода и прихода, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10-15°. Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения, называют расстоянием зоны молчания (ЗМ). Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, максимально применимой частоты (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния. Волна 4.

Применение антенн зенитного излучения, как один из приёмов уменьшения зоны молчания, ограничивается понятием максимально применимой частоты (МПЧ) с учётом снижения её на 15-20% от МПЧ. Антенны зенитного излучения применяют для вещания в ближней зоне методом односкачкового отражения от ионосферы.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую — применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при мощности передатчика в 1кВт, напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого. Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток, в течение года, и периода солнечной активности. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток.

Диапазон частот 1,5–3 МГц, является ночным. Понятно, что для успешного проведения сеанса радиосвязи нужно каждый раз правильно выбирать частоту (длину волны), к тому же это усложняет конструкцию станции, но для настоящего ценителя дальних связей это не является трудностью, это часть хобби. Проведём оценку КВ диапазона по участкам.

Диапазон частот 5-8 мГц, во многом схож с диапазоном 3 мГц, и в отличае от него, здесь в дневное время можно связаться до 2000 км, зона молчания (ЗМ) отсутствует и составляет несколько десятков километров. В ночные часы возможна связь на любое расстояние за исключением ЗМ, которая увеличивается до нескольких сот километров. В часы смены времени суток (заход/восход), наиболее удобны для дальних связей. Атмосферные помехи менее выражены, чем в диапазоне 1,5-3 мГц.

В диапазоне частот 10-15 мГц в периоды солнечной активности возможны связи в дневное время суток практически с любой точкой земного шара. Летом продолжительность радиосвязи в этом диапазоне частот бывает круглосуточной, за исключением отдельных дней. Зона молчания ночью имеет расстояния в 1500-2000 км и по этому возможны только дальние связи. В дневное время они уменьшаются до 400-1000 км.

Диапазон частот 27-30 мГц пригоден для связи только в светлое время суток. Это самый капризный диапазон. Он обычно открывается на несколько часов, дней или недель особенно при смене сезонов, т.е. осенью и весной. Зона молчания (ЗМ) достигает 2000-2500 км. Это явление относится к теме МПЧ, здесь угол отраженной волны должен быть малым по отношению к ионосфере, иначе он имеет большое затухание в ионосфере, или простой уход в космические просторы. Малые углы излучения соответствуют большим скачкам и соответственно большим зонам молчания. В периоды максимума солнечной активности возможна связь и ночью.

Помимо перечисленных моделей, возможны случаи аномального распространения радиоволн. Аномальное распространение может возникнуть при появлении на пути волны спорадического слоя, от которого могут отражаться более короткие волны, вплоть до метровых. Это явление можно наблюдать на практике прохождением дальних телестанций и FM радиостанций. МПЧ радиосигнала в эти часы доходит до 60-100 мГц в годы солнечной активности.

В диапазоне УКВ FM, за исключением редких случаев аномального распространения радиоволн, распространение обусловлено строго так называемой «прямой видимостью». Распространение радиоволн в пределах прямой видимости говорит само за себя, и обусловлено высотой расположения передающей и приёмной антенн. Понятно, что в условиях городской застройки ни о какой визуальной и прямой видимости говорить нельзя, но радиоволны проходят сквозь городские застройки с некоторым ослаблением. Чем выше частота, тем выше затухание в городских застройках. Диапазон частот 88-108 МГц так же подвержен некоторым затуханиям в условиях города.

Приём коротких радиоволн всегда сопровождается измерением уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный и временной характер. Такое явление называют замираниями (федингом) радиосигнала. В эфире наблюдаются быстрые и медленные фединги сигнала. Глубина фединга может достигать до нескольких десятков децибел.

Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. В этом случае причиной федингов служит приход в точку приема двух лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы, волна 1 и волна 3, см. рис 2.

Поскольку лучи проходят различные пути по расстоянию, фазы прихода их неодинаковы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждого из лучей, а следовательно, и к изменению разности фаз между лучами. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась всего на ½. Следует напомнить, что при приходе лучей одного сигнала в точку приёма с одинаковой силой и с разностью фаз на 180°, они полностью вычитаются по закону векторов, а сила приходящего сигнала в этом случае может быть равна нулю. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому, колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими. Интервал их наблюдения в 3-7 минут может составлять на низких частотах КВ диапазона, и до 0,5 секунд на частотах ближе к 30 МГц.

Помимо этого, фединг сигнала вызываются рассеянием радиоволн на не однородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн.

Кроме интерференционных федингов, на коротких волнах, имеют место поляризационные фединги. Причиной поляризационных федингов является поворот плоскости поляризации волны относительно принимаемой антенны. Это происходит при распространении волны в направлении силовых линий магнитного поля Земли, и с изменением электронной плотности ионосферы. Если передающая и приемная антенны представляют собой горизонтальные вибраторы, то излученная горизонтально — поляризованная волна, после прохождения в ионосфере претерпит поворот плоскости поляризации. Это приводит к колебаниям э. д. с., наводимой в антенне, которое имеет дополнительное затухание до 10 дБ.

На практике все указанные причины замираний сигнала действуют, как правило, комплексно и подчиняются описанным законом распределения Релея.

Помимо быстрых замираний, наблюдаются медленные замирания, которые наблюдаются с периодом в 40-60 мин в низкочастотной части КВ диапазона. Причиной этих федингов является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Распределение огибающей амплитуды сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально логарифмическому закону с уменьшением сигнала до 8-12 дБ.

Для борьбы с замираниями, на коротких волнах применяют метод приема на разнесенные антенны. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходят не одновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В практике коротковолновой связи используют обычно две антенны, разнесенные на расстояние нескольких длин волн, а сигналы складывают после детектирования. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т. е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов после детектирования.

Хочется отметить, что указанные меры борьбы действенны только для устранения быстрых замираний, медленные изменения сигнала не устраняются, так как это связано с изменением поглощения радиоволн в ионосфере.

В радиолюбительской практике метод разнесённых антенн используется довольно редко, ввиду конструктивной дороговизны и отсутствием необходимости приёма достаточно достоверной информации. Это связано с тем, что любители часто используют резонансные и диапазонные антенны, количество которых в его хозяйстве составляет около 2-3 штук. Использование разнесённого приёма требует увеличение парка антенн минимум вдвое.

Другое дело, когда любитель живёт в сельской местности, имея при этом достаточную площадь для размещения антифединговой конструкции, он может применить для этого просто два широкополосных вибратора, перекрывающие все, или почти все необходимые диапазоны. Один вибратор должен быть вертикальным, другой горизонтальным. Для этого совсем не обязательно иметь несколько мачт. Достаточно разместить их так, на одной мачте, чтобы они были сориентированы относительно друг друга под углом в 90°. Две антенны, в этом случае будут напоминать широко известную антенну «Inverted-V».

Подставим соотношения (7.6) в первое уравнение системы (7.1):

I ωεa gradϕ

Iωε a iω A

Частоты метрового диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Радиус действия распространения радиоволны в пределах прямой видимости без учета мощности излучения передатчика и прочих природных явлений, уменьшающих эффективность связи, выглядит так:

r = 3,57 (√h1 + √h2), км,

Рассчитаем радиусы прямой видимости при установке приемной антенны на разных высотах, где h1 — параметр, h2 = 1,5 м. Сведем их в таблицу 1.

Таблица 1

h1 (м)	10	20	25	30	35	40	50	60
r (км)	15,6	20,3	22.2	24	25.5	27,0	29,6	32

Данная формула не учитывает затухание сигнала и мощности передатчика, она говорит лишь о возможности прямой видимости с учетом идеально круглой земли.

Произведем расчет необходимого уровня радиосигнала вместе приема для длины волны 3 м.

Поскольку на трассах между передающей станцией и подвижным объектом всегда присутствуют такие явления как, отражения, рассеяния, поглощения радиосигналов различными объектами и пр, следует вводить поправки в уровень затухания сигнала, что предложил японский ученый Okumura. Среднеквадратическое отклонение для этого диапазона с городскими застройками составит 3 дБ, а при вероятности связи в 99% введем множитель 2, что составит общую поправку П в уровне радиосигнала в
П = 3 × 2 = 6 дБ.

Чувствительность приемников определяется соотношением полезного сигнала над шумами в 12 дБ, т.е. в 4 раза. Такое соотношение при качественном радиовещании не приемлемо, поэтому введем дополнительную поправку еще в 12–20 дБ, примем 14 дБ.

Итого общая поправка в уровне принимаемого сигнала с учетом затухания его по трассе и специфике приемного устройства, составит: 6+16 20дБ (в 10 раз). Тогда при чувствительности приемника в 1,5 мкВ. в месте приема должно создаваться поле с напряженностью в 15 мкВ/м.

Рассчитаем по формуле Введенского радиус действия при заданной напряженности поля в 15 мкВ/м с учетом мощности передатчика, чувствительности приемника и городских застроек:

где r — км; Р — кВт; G — дБ (=1); h — м; λ — м; Е — мВ.

В данном расчете не учитывается коэффициент усиления приемной антенны, а также затухание в фидере и полосовом фильтре.

Ответ: При мощности в 10 Вт, высоте излучения h1=27 метров и h2=1,5м, реально качественный радиоприем с радиусом в городских застройках составит 2,5-2,6 км. Если учитывать, что прием радиосигналов вашего радиопередатчика будет осуществляться на средних и высоких этажах жилых зданий, то этот радиус действия увеличится примерно в 2-3 раза. Если принимать радиосигналы на вынесенную антенну, то радиус действия будет исчисляться десятками километров.

73! UA9LBG & Радио-Вектор-Тюмень