Распространение радиоволн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ «РАДИОВОЛНЫ»

Введение

В беспроводной электросвязи непосредственное соединение между источниками и получателями сигналов в виде электрических или оптических кабелей отсутствует. Средства радиосвязи, радиовещания и телевидения в качестве среды распространения электромагнитных волн обычно используют атмосферу Земли. Основные параметры системы связи в значительной степени определяются характеристиками распространения электромагнитных волн.

Из курса физики известно, что проводник, по которому протекает постоянный электрический ток, создает в окружающем пространстве постоянное магнитное поле. В общем случае, практически любой отрезок проводника при протекании по нему переменного тока является источником переменного электромагнитного поля. Особенностью переменного электромагнитного поля является его способность распространяться в окружающем пространстве.

В свободном пространстве электромагнитные колебания распространяются прямолинейно и равномерно, то есть с постоянной скоростью, равной скорости света. На распространение электромагнитных волн в несвободном пространстве существенное влияние оказывает окружающая среда. В частности, распространение электромагнитных волн в условиях Земли зависит от многих факторов: рельефа местности, климатических условий, времени суток и года, и, в первую очередь, от длины волны этого колебания.

Электромагнитные волны, расположенные в диапазоне частот от 10 до 10¹³ Гц, используются в радиотехнике и называются радиоволнами. Рассмотрим их подробнее.

1. Что такое радиоволны

1.1 Радиоволны

Радиоволны - это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их, весьма, схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) - единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц - это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) - миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны л, (в метрах), рассчитывается по формуле:

или примерно

где ѓ - частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением - увеличивается. В дальнейшем мы убедимся, что знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации. Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить - вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него. Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции - всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

1.2 Распространение радиоволн

радиоволна распространение спектр диапазон

Самый простой случай - это распространение радиоволны в свободном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения, энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т.е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.

Конечно, это важное правило применимо в том случае, если не приняты специальные меры для того, чтобы создать узконаправленный поток радиоволн.

Существуют различные технические приемы для создания направленных радиолучей. Один из способов решения этой задачи состоит в использовании правильной решетки антенн. Антенны должны быть расположены так, чтобы посылаемые ими волны отправлялись в нужном направлении «горб к горбу». Для этой же цели используются зеркала разной формы.

Радиоволны, путешествующие в космосе, будут отклоняться от прямолинейного направления - отражаться, рассеиваться, преломляться - в том случае, если на их пути встретятся препятствия, соизмеримые с длиной волны и даже несколько меньшие.

Наибольший интерес представляет для нас поведение волн, идущих вблизи с земной поверхности. В каждом отдельном случаи картина может быть весьма своеобразной, в зависимости от того, какова длина волны.

Кардинальную роль играют электрические свойства земли и атмосферы. Если поверхность способна проводить ток, то она «не отпускает» от себя радиоволны. Электрические силовые линии электромагнитного поля подходит к металлу (шире - к любому проводнику) под прямым углом.

Теперь представьте себе, что радиопередача происходит вблизи морской поверхности. Морская вода содержит растворенные соли, т.е. является электролитом. Морская вода - превосходный проводник тока. Поэтому она «держит» радиоволну, заставляет ее двигаться вдоль поверхности моря.

Но и равнинная, а также лесистая местности являются хорошими проводниками для токов не слишком высокой частоты. Иными словами, для длинных волн лес и равнина ведут себя как металл.

Поэтому длинные волны удерживаются всей земной поверхностью и способны обогнуть земной шар. Кстати говоря, этим способом можно определить скорость радиоволн. Радиотехникам известно, что на то, чтобы обогнуть земной шар, радиоволна затрачивает 0.13 с. А как же горы? Ну что же, для длинных волн они не столь уж высоки, и радиоволна длиной в километр более или менее способна обогнуть гору.

Что же касается коротких волн, то возможность дальнего радиоприема на этих волнах обязана наличию над Землей ионосферы. Солнечные лучи обладают способностью разрушать молекулы воздуха в верхних областях атмосферы. Молекулы превращаются в ионы и на расстояниях 100-300 км от земли образуют несколько заряженных слоев. Так что для коротких волн пространство, в котором движется волна, - это слой диэлектрика, зажатого между двумя проводящими поверхностями.

Поскольку равнинная и лесистая поверхности не являются хорошими проводниками для коротких волн, то они не способны их удержать. Короткие волны отправляются в свободное путешествие, но натыкаются на ионосферу, отражающую их, как поверхность металла.

Ионизация ионосферы не однородна и, конечно, различна днем и ночью. По этому пути коротких радиоволн могут быть самыми различными. Они могут добраться до вашего радиоприемника и после многократных отражений с Землей и ионосферой. Судьба короткой волны зависит от того, под каким углом попадает она на ионосферный слой. Если этот угол близок к прямому, то отражение не произойдет и волна уйдет в мировое пространство. Но чаще имеет место полное отражение, и волна возвращается на Землю.

Для ультракоротких волн ионосфера прозрачна. Поэтому на этих длинах волн возможен радиоприем в пределах прямой видимости или с помощью спутников. Направляя волну на спутник, мы можем ловить отраженные от него сигналы на огромных расстояниях.

Спутники открыли новую эпоху в техники радиосвязи, обеспечив возможность радиоприема и телевизионного приема на ультракоротких волнах.

Интересные возможности предоставляет передача на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Волны этой длины могут поглощаться атмосферой. Но, оказывается, имеются «окна», и, подобрав нужным образом длину волны, можно использовать волны, залезающие в оптический диапазон. Ну, а достоинства этих волн нам известны: в малый волновой интервал можно «вложить» огромное число не перекрывающихся передач.

1.3 Как распространяются радиоволны

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (чем выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902 году, английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха - естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923 году. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.



Рис. 1. Распространение длинных и коротких волн

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т.д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар (рис. 1).

Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25-30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.

Из рисунка 2 видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.



Рис. 2. Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток

Рис. 3. Распространение коротких и ультракоротких волн

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости (рис. 3). Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150-200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.

Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи.

Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.

При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик (рис. 4). Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.



Рис. 4. Параболические направленные антенны

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

Мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества.

2. Диапазон

С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн принято делить на ряд меньших диапазонов: сверхдлинные волны, длинные волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые волны, миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл. 1). Деление радиочастот на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи (табл. 2 и 2.2). Все это официальные, четко отграниченные участки спектра.

В то же время термин «диапазон» в зависимости от контекста может применяться для обозначения какого-то произвольного участка радиоволн / радиочастот (например - «любительский диапазон», «диапазон подвижной связи», «диапазон low band», «диапазон 2,4ГГц» и т.п.)

Деление всего диапазона радиоволн на меньшие диапазоны

Название поддиапазона	Длина волны	Частота колебаний
Сверхдлинные волны	100 - 10 км	3 - 30 кГц
Длинные волны	10 - 1 км	30 - 300 кГц
Средние волны	1000 - 100 м	300 - 3000 кГц
Короткие волны	100 - 10 м	3 - 30 МГц
Метровые волны	10 - 1 м	30 - 300 МГц
Дециметровые волны	100 - 10 см	300 - 3000 МГц
Сантиметровые волны	10 - 1 см	3 - 30 ГГц
Миллиметровые волны	10 - 1 мм	30 - 300 ГГц
Субмиллиметровые волны	1 - 0,05 мм	300 - 6000 ГГц

Диапазон радиочастот

Наименование диапазона	Термин	Границы диапазонов
1-й диапазон частот 2-й диапазон частот 3-й диапазон частот 4-й диапазон частот 5-й диапазон частот 6-й диапазон частот 7-й диапазон частот 8-й диапазон частот 9-й диапазон частот 10-й диапазон частот 11-й диапазон частот 12-й диапазон частот	Крайне низкие КНЧ Сверхнизкие СНЧ Инфранизкие ИНЧ Очень низкие ОНЧ Низкие частоты НЧ Средние частоты СЧ Высокие частоты ВЧ Очень высокие ОВЧ Ультравысокие УВЧ Сверхвысокие СВЧ Крайне высокие КВЧ Гипервысокие ГВЧ	3 - 30 Гц 30 - 300 Гц 0,3 - 3 кГц 3 - 30 кГц 30 - 300 кГц 300 - 3000 кГц 3 - 30 МГц 30 - 300 МГц 300 - 3000 МГц 3 - 30 ГГц 30 - 300 ГГц 300 - 3000 ГГц

Диапазон радиоволн

Наименование диапазона	Термин	Границы диапазонов
1-й диапазон частот 2-й диапазон частот 3-й диапазон частот 4-й диапазон частот 5-й диапазон частот 6-й диапазон частот 7-й диапазон частот 8-й диапазон частот 9-й диапазон частот 10-й диапазон частот 11-й диапазон частот 12-й диапазон частот	Декамегаметровые Мегаметровые Гектокилометровые Мириаметровые Километровые Гектометровые Декаметровые Метровые Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые	100000-10000 км 10000-1000 км 1000-100 км 100-10 км 10-1 км 1-0,1 км 100-10 м 10-1 м 1-0,1 м 10-1 см 10-1 мм 1-0,1 мм

2.1 Динамический диапазон

Динамический диапазон радиоприемного устройства - это отношение максимально допустимого уровня принимаемого сигнала (нормируется уровнем нелинейных искажений) к минимально возможному уровню принимаемого сигнала (определяется чувствительностью устройства) выраженное в децибелах. Другими словами - это разность между максимальным и минимальным значениями уровней сигналов, при которых еще не наблюдается искажений. Причиной этих искажений является нелинейность усилительного тракта рассматриваемого устройства. Чем шире динамический диапазон, тем более сильные сигналы способно принимать устройство без искажений. Динамический диапазон шире у дорогих приемников, хотя сравнивать их по этому параметру практически невозможно, т.к. он очень редко указывается в характеристиках.

2.2 Распределение спектра

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно - спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее - спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей - все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны (табл. 3).

Табл. 3. Деление радиоволн на диапазоны

Диапазон частот	Наименование диапазона (сокращенное наименование)	Наименование диапазона волн	Длина волны
3-30 кГц	Очень низкие частоты (ОНЧ)	Мириаметровые	100-10 км
30-300 кГц	Низкие частоты (НЧ)	Километровые	10-1 км
300-3000 кГц	Средние частоты (СЧ)	Гектометровые	1-0.1 км
3-30 МГц	Высокие частоты (ВЧ)	Декаметровые	100-10 м
30-300 МГц	Очень высокие частоты (ОВЧ)	Метровые	10-1 м
300-3000 МГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)	Дециметровые	1-0.1 м
3-30 ГГц	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	Сантиметровые	10-1 см
30-300 ГГц	Крайне высокие частоты (КВЧ)	Миллиметровые	10-1 мм
300-3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	Децимиллиметровые	1-0.1 мм

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты (рис. 5).

Рис. 5. Пример распределения спектра

Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются названия указанные в таблице 4.

Табл. 4. Названия диапазонов выделенных для наземной подвижной связи.

Термин	Диапазон частот	Пояснения
Коротковолновый диапазон (КВ)	2-30 МГц	Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи.
«Си-Би»	25.6-30.1 МГц	Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов).
«Low Band»	33-50 МГц	Диапазон подвижной наземной связи. Непонятно почему, но в русском языке не нашлось термина, определяющего данный диапазон.
УКВ	136-174 МГц	Наиболее распространенный диапазон подвижной наземной связи.
ДЦВ	400-512 МГц	Диапазон подвижной наземной связи. Иногда не выделяют этот участок в отдельный диапазон, а говорят УКВ, подразумевая полосу частот от 136 до 512 МГц.
«800 МГц»	806-825 и 851-870 МГц	Традиционный «американский» диапазон; широко используется подвижной связью в США. У нас не получил особого распространения.

Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.

В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.

3. Источники радиоволн

3.1 Радиоизлучение Солнца

Зарегистрировано радиоизлучение Солнца с длиной волны от нескольких миллиметров до 30 м. Особенно сильно излучение в метровом диапазоне; оно рождается в верхних слоях атмосферы Солнца, в его короне, где температура порядка 1 млн. К. Коротковолновое излучение Солнца относительно слабо; оно выходит из хромосферы, расположенной над видимой поверхностью Солнца - фотосферой.

3.2 Галактические радиоисточники

Уже первые наблюдения Г. Ребера показали, что радиоизлучение Млечного Пути неоднородно - оно сильнее в направлении центра Галактики. Дальнейшие исследования подтвердили, что основные источники радиоволн относительно компактны; их называют точечными или дискретными. Зарегистрированы уже десятки тысяч таких источников.

Излучение космических радиоисточников бывает двух типов: тепловое и нетепловое (обычно синхротронное). Тепловое излучение рождается в горячем газе от случайного (теплового) движения заряженных частиц - электронов и протонов. Его интенсивность в широком диапазоне спектра почти постоянна, но на длинных волнах она быстро уменьшается. Такое излучение характерно для эмиссионных туманностей. Остальные источники имеют нетепловое излучение, интенсивность которого растет с увеличением длины волны. В этих источниках излучение возникает при движении очень быстрых электронов в магнитном поле. Скорости электронов близки к скорости света, и это не может быть следствием простого теплового движения. Для разгона электронов до таких скоростей в лаборатории используют специальные ускорители - синхротроны. Как это происходит в естественных условиях, не совсем ясно. Синхротронное излучение сильно поляризовано. Это позволяет обнаруживать его в космических источниках и по направлению поляризации определять ориентацию их магнитного поля. Таким методом исследованы межзвездные магнитные поля в нашей и соседних галактиках.

Одним из важнейших достижений радиоастрономии стало открытие активных процессов в ядрах галактик. Радионаблюдения указывали на это еще в 1950-е годы, но окончательное подтверждение появилось в 1962, когда с помощью 5-метрового оптического телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) были обнаружены бурные процессы в ядре галактики М 82.

Другим важнейшим открытием радиоастрономии считаются квазары - очень далекие и активные внегалактические объекты. Вначале они казались рядовыми точечными источниками. Затем некоторые из них были отождествлены со слабыми звездами (отсюда название «квазар» - квазизвездный радиоисточник). Доплеровское смещение линий в их оптических спектрах указывает на то, что квазары удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света и, в соответствии с законом Хаббла, расстояния до них составляют миллиарды световых лет. Находясь на таких гигантских расстояниях, они заметны лишь потому, что излучают с огромной мощностью - порядка 10⁴¹ Вт. Это значительно больше мощности излучения целой галактики, хотя размер области генерации энергии у квазаров существенно меньше размера галактик и порой не превосходит размера Солнечной системы. Загадка квазаров до сих пор не раскрыта.

3.3 Отождествление источников

Звезды - слабые источники радиоволн. Долгое время единственной звездой на «радионебе» было Солнце, и то лишь благодаря его близости. Но в 1970-х годах Р. Хелминг и К. Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории США открыли радиоизлучение от газовых оболочек, сброшенных Новой Дельфина 1967 и Новой Змеи 1970. Затем они обнаружили радиоизлучение красного сверхгиганта Антареса и рентгеновского источника в Скорпионе.

В. Бааде и Р. Минковский из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (США) отождествили многие яркие радиоисточники с оптическими объектами. Например, ярчайший источник в Лебеде оказался связан с очень далекой и слабой галактикой необычной формы, ставшей прототипом радиогалактик. Мощный радиоисточник в Тельце они отождествили с остатком взрыва сверхновой звезды, отмеченной в китайской летописи 1054 года. Мощный источник в Кассиопее также оказался остатком сверхновой, вспыхнувшей всего лет 300 назад, но не замеченной никем.

В 1967 году Э. Хьюиш, Дж. Белл и их коллеги из Кембриджа (Англия) открыли необычные переменные радиоисточники - пульсары. Излучение каждого пульсара представляет строго периодическую последовательность импульсов; у открытых пульсаров периоды лежат в интервале от 0,0016 с до 5,1 с. Через 2 года У. Кокки, М. Дисней и Д. Тейлор обнаружили, что радиопульсар в Крабовидной туманности совпадает со слабой оптической звездой, которая, как и пульсар, изменяет свою яркость с периодом 1/30 с. Среди более 700 известных сейчас пульсаров еще только один - в созвездии Парусов (Vela) - демонстрирует оптические вспышки. Выяснилось, что феномен пульсара связан c нейтронными звездами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса ядер массивных звезд. Имея диаметр около 15 км и массу как у Солнца, нейтронная звезда быстро вращается и как маяк периодически «освещает» Землю. Постепенно скорость вращения пульсара замедляется, период между импульсами возрастает, а их мощность падает. Иногда наблюдаются резкие сбои периода, когда у нейтронной звезды происходит перестройка структуры, называемая «звездотрясением».

3.4 Фоновое излучение

Кроме отождествленных и неотождествленных дискретных источников, наблюдается суммарный фон от миллионов далеких галактик и облаков межзвездного газа нашей Галактики. С повышением чувствительности и разрешающей способности радиотелескопов из этого фона удается выделить все больше дискретных источников.

3.5 Радиоизлучение планет

В 1956 году К. Мейер из Военно-морской лаборатории США открыл излучение Венеры на волне 3 см. В 1955 году Б. Бурке и К. Франклин из института Карнеги в Вашингтоне обнаружили короткие всплески радиоизлучения от Юпитера на волне 13,5 м. Дальнейшие исследования в Австралии показали, что всплески излучения от Юпитера приходят в те моменты, когда определенные зоны его поверхности обращены к Земле. В дециметровом диапазоне кроме теплового излучения наблюдалось и синхротронное, что указывало на наличие у Юпитера мощного магнитного поля, которое позже было действительно обнаружено космическими зондами.

Радиолокационные исследования планет позволяют точно определять их расстояние от Земли, скорость их суточного вращения и свойства поверхности. Радиолокация Венеры позволила изучить топографию ее поверхности, закрытой от оптических телескопов плотным облачным слоем.

3.6 Излучение водорода

Нейтральный атомарный водород - возможно, самый распространенный элемент в межзвездном пространстве. Он способен излучать радиолинию с длиной волны 21 см, которая была предсказана в 1944 году нидерландским теоретиком Х. ван де Хюлстом и обнаружена в 1951 году Х. Юэном и Э. Парселом из Гарвардского университета (США). Существование узкой линии в радиодиапазоне оказалось очень полезным: измеряя ее доплеровское смещение, можно очень точно определять лучевую скорость наблюдаемого облака газа. При этом приемная аппаратура радиотелескопа сканирует некоторый диапазон длин волн в районе линии 21 см и отмечает пики излучения. Каждый такой пик - это линия излучения водорода, смещенная по частоте из-за движения одного из облаков, попавших в поле зрения антенны телескопа.

Около 5% водорода в Галактике вследствие высокой температуры находится в ионизованном состоянии. Когда свободные электроны пролетают вблизи положительно заряженных ядер водорода - протонов, они испытывают притяжение, движутся ускоренно и при этом излучают электромагнитные кванты. Иногда, потеряв энергию, электрон оказывается захваченным на один из верхних уровней атома (т.е. происходит рекомбинация). Спускаясь затем каскадно на устойчивый нижний уровень, электрон также излучает кванты энергии. Такое излучение свободных и рекомбинирующих электронов наблюдается в радиодиапазоне от эмиссионных туманностей и позволяет обнаруживать их даже в тех случаях, когда оптическое излучение не может достичь Земли из-за поглощения в межзвездной пыли. Благодаря этому радиоастрономы смогли обнаружить практически все эмиссионные туманности в Галактике.

4. Открытие и применение

Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары, радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчило нам жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Гипотезу о существовании радиоволн выдвинул английский учёный Джеймс Максвелл на основании изучения работ Фарадея по электричеству. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предложил, что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического поля должен непрерывно продолжаться и захватывать всё новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 6). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электрические и магнитные поля могут существовать в веществе и в вакууме, и могут распространяться в вакууме. Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном движении электромагнитных зарядов.

Но вот создание электромагнитных волн опытным путём принадлежит физику Герцу. Для этого Герц использовал высокочастотный искровой разрядник (вибратор).

Произвёл этот опыт Герц в 1888 году. Состоял вибратор из двух стержней, разделённых искровым промежутком. Экспериментировал Герц с волнами частотой 100000000 Гц. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле х=лн. Она оказалась приближенно равна скорости света: 300000 км/с. Опыт Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла. Для возбуждения колебаний вибратор подключался к индуктору. Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значения, возникла искра, которая закорачивала обе половинки вибратора. В результате возникали свободные затухающие колебания, которые продолжались до тех пор, пока искра не гасла. А для того чтобы возникающий при колебаниях высокочастотный ток не ответвлялся в обмотку индуктора, между вибратором и индуктором включались дроссели (катушки с большой индуктивностью). После погасания искры вибратор снова заряжался от индуктора, и весь процесс повторялся вновь.

Таким образом, вибратор Герца возбуждал ряд цугов слабо затухающих волн.

И во время этих колебаний устанавливалась стоячая волна тока и напряжения. Сила тока I была максимальной (пучность) в середине вибратора и обращалась в ноль на его концах. Напряжение U в середине вибратора имело узел, на концах - пучности.

Опыты Герца были продолжены П.Н. Лебедевым в 1894 году. П.Н. Лебедев открыл двойное преломление волн в кристалле. Также радиоволны обладают всеми основными свойствами волн.

Электромагнитные волны в зависимости от длины волны (или частоты колебаний), условно разделены на следующие основные диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр, ультрафиолетовые волны и гамма-лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с веществом.

Несмотря на то, что свойства электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений Максвелла. Величины (напряжённость электрического поля) и (магнитная индукция) в электромагнитной волне в простейшем случае меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении Z, являются:

Формулы А.

Где: - циклическая частота, - частота, - волновое число, - начальная фаза колебаний.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности переменного электрического поля и индукции переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору - скорости распространения волны. Векторы , и образуют правовинтовую систему: из конца вектора поворот от к на наименьший угол виден происходящим против часовой стрелки (рис. 9).

Рис. 9

На рисунке 10 показано распределение векторов и электромагнитной волны вдоль оси OZ в данный момент времени t.

Рис. 10.

Из формул А следует, что вектора и в электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е. они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.

Основываясь на том, что электромагнитная волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с определенной ориентацией векторов и в пространстве. Благодаря этим свойствам, возможно, использовать электромагнитные волны в радиосвязи.

Первым кто применил радиоволны для беспроводной связи, был русский физик А. Попов. 7 мая 1895 года Попов с помощью электромагнитных волн передал на расстояние 250 м сообщение, были переданы слова «Генрих Герц». Для приёма сообщений Попов использовал способность металлических порошков слипаться под влиянием высокочастотных электрических колебаний и тем самым повышать свою электропроводность.

Передатчиком служила заземлённая антенна А. В схеме передатчика, В-источник высокого переменного напряжения, питаемый батареей Е. При замыкании ключа К в искровом промежутке образуется искра, представляющая собой колебательный процесс, вследствие чего антенна А начинает излучать радиоволны. Эти волны, достигая антенны А' приёмной станции, возбуждают электромагнитные колебания цепи, содержащей заземлённую антенну и когерер Т. Сопротивление когерера резко уменьшается из-за слипания находящегося в нем металлического порошка, вследствие чего замыкается цепь батареи Е', в которой находится электромагнитное реле, притягивающее молоточек F. При этом в точке О замыкается цепь более мощной батареи Е», действующей на пишущий аппарат LM. В тоже время молоточек D ударяет по когереру Т, и размыкает цепь батареи Е', для приёма следующего сигнала (рис. 11).

Это радио стало прародителем не только для современного радио, но и для телевизоров, радиотелескопов, мобильных телефонов и для многих других вещей без которых люди не могут представить сегодняшнюю свою жизнь.

Современные радиоприёмники совсем не похожи на своего прародителя, но принцип действия остался тот же, что и в приёмнике Попова. Современный приёмник так же имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые магнитные колебания. Как и в приёмнике Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.

В1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов с помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе. При участии Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.

За границей усовершенствованием подобных приборов занималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через Атлантический океан.

Важнейшим этапом развития радиосвязи было создание в 1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний.

Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможной надёжная и высококачественная радиотелефонная связь - передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том что, колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются.

Для передачи этих волн на большие расстояния их необходимо преобразовать в колебания высокой частоты, но так чтобы не испортить информацию которую они несут. Процесс преобразования электромагнитных колебаний низкой частоты в колебания высокой частоты называется модуляцией (рис. 12).

Рис. 12. Различные виды модуляции

Для преобразования звуковых волн используется амплитудная модуляция.

В процессе модуляции происходит наложение амплитуды низкочастотных сигналов на высокочастотный сигнал.

Модуляция - медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда измениться заметным образом. Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных колебаний высокой частоты в электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На вторую катушку трансформатора подаётся переменное напряжение звуковой частоты, например, с выхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во второй катушке трансформатора вызывает появление напряжения на концах первой катушке трансформатора.

Рис. 13.

Переменное напряжение звуковой частоты складывается с постоянным напряжением источника тока; изменения напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводят к изменениям со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора (рис. 13). Такие колебания высокой частоты называются амплитудно-модулированными.

С колебательным контуром генератора индуктивно связана антенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой частоты, происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.

Электромагнитные волны, излучённые антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике. Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электрического тока, пропорционально длине проводника.

Рис. 14.

Поэтому для приёма электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприёмнике (рис. 14), применяется длинный провод - приёмная антенна (1). Для того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур (2) с изменяющейся собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в контуре приёмника производится обычно изменением электроёмкости переменного конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний, возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужной частоты.

С колебательного контура приёмника модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор (3). В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлении. В течение каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор (4), вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор (5). Если значения электроёмкости конденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, то через резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковой частотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике. Для преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение звуковой частоты подаётся на телефон (6).

Детекторный радиоприёмник весьма несовершенен. Он обладает очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи только от мощных радиостанций или от близко расположенных радиопередатчиков.

Для повышения чувствительности в современных радиоприёмниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрические колебания поступают на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала на выходе радиоприёмника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектора, поступают на вход усилителя низкой частоты.

Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подаётся на динамик.

Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.

Благодаря радиоволнам познается, и наша вселенная, и открываются элементарные частицы материи. Даже живые существа испускают радиоволны, а такие животные, как рыба-молот используют их для охоты.

Заключение

Итак, в этой работе мы постарались рассмотреть наиболее распространенную классификацию радиоволн. И видим, что она достаточно широка, а современные наука и техника не стоят на месте, а стремительно движутся вперед. Возможности радиодиапазона далеко не исчерпаны и таят в себе огромный потенциал для дальнейших исследований, дальнейшего расширения диапазона. Для этого необходимы новые конструкторские и исследовательские решения. Поэтому считаю, что радиотехнику ждет великое будущее, и она сыграет значимую роль в развитии цивилизации.

Библиография

1. Гаевой А.И., Калабухов Н.П., Левашова Л.Е., Чепуренко В.Г. «Справочник по физике для поступающих в вузы». Киев, «Наукова Думка», 1986 г.

2. И.В. Савельев «Курс общей физики» том 2. Москва, «Наука», 1973 г.

3. Михайличенко Ю.П. «Двойное лучепреломление сантиметровых электромагнитных волн. Методические указания». Томск, 1986 г.

4. Першинзон Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. «Курс общей физики. Оптика и атомная физика». Москва, «Просвещение», 1981 г.

5. Г.Я. Мякишев Б.Б. Буховцев. «Физика 11 класс». Москва, «Просвещение», 2002 г.

Размещено на Allbest.ru