Hvilken enhed bruges til at udsende radiobølger? Metode til at modtage radiobølger

Modtagelse udføres ved hjælp af sende- og modtageantenner. Emission af radiobølger. Kilden til primære elektriske svingninger kan være vekselstrømme, der strømmer gennem ledere, variable felter osv. Imidlertid er vekselstrømme med relativt lav frekvens (f.eks. industriel frekvens 50 Hz) uegnede til stråling: ved disse frekvenser er det umuligt at skabe en effektiv emitter. Faktisk, hvis der forekommer elektriske svingninger, for eksempel i en induktansspole, hvis dimensioner er små sammenlignet med bølgelængden l svarende til oscillationsfrekvensen af ​​strømmen, der flyder i spolen, for hver sektion med en retning af strømmen, f. eksempel A (fig. 1), er der et andet et snit fjernet fra A i en afstand mindre end l/2, hvor strømmens retning på samme tidspunkt er modsat. I store afstande fra spolen svækker bølgerne udsendt af elementerne A og B hinanden. Da spolen består af sådanne par af modfaseelementer, udstråler den, og derfor hele spolen, dårligt. Et oscillerende kredsløb, der indeholder en induktor og en kondensator, udstråler også dårligt. På hvert tidspunkt af tiden er ladningerne på kondensatorpladerne lige store, modsatte i fortegn og adskilt fra hinanden i en afstand væsentligt mindre end l/2. Af ovenstående følger det, at for effektiv stråling af radiobølger kræves et åbent (åbent) kredsløb, hvor der enten ikke er sektioner med modfasesvingninger af strøm eller ladning, eller afstanden mellem dem ikke er lille sammenlignet med l/2 . Hvis dimensionerne af kredsløbet er sådan, at udbredelsestiden for elektriske ændringer magnetfelt da den er sammenlignelig med perioden med strøm- eller ladningssvingninger (hastigheden af ​​udbredelse af forstyrrelser er begrænset), så er betingelserne for kvasistationær proces ikke opfyldt (se Kvasistationær proces), og en del af kildeenergien går tabt i form af elektromagnetiske bølger. Til praktiske formål anvendes normalt elektromagnetiske bølger med en l-bølge (fig. 2). I segmenterne A og B sker der under påvirkning af bølgens elektriske felt en bevægelse af ladninger, dvs. vekselstrøm. På hvert tidspunkt af tiden er ladningerne i punkterne O og O" lige store og modsatte i fortegn, dvs. segmenterne A og B danner en elektrisk dipol, som bestemmer konfigurationen af ​​det elektriske felt, der skabes af den. På den anden side, strømmene i segmenterne A og B falder sammen i retning, derfor er magnetfeltlinjerne, som i tilfældet med en retlinet strøm, cirkler (fig. 3) Således opstår der i rummet omkring dipolen et elektromagnetisk felt , hvor felterne E og H er vinkelrette på hinanden. Det elektromagnetiske felt forplanter sig i rummet og bevæger sig væk fra dipolen (fig. 4) Bølgerne udsendt af dipolen har en vis polarisering Den elektriske feltstyrkevektoren E på bølgen ved observationspunktet O (fig. 3) ligger i det plan, der går gennem dipolen og radiusvektoren r trukket fra dipolens centrum til observationspunktet Magnetfeltvektoren H er vinkelret på dette plan En vekslende elektromagnetiske felter opstår i hele rummet omkring dipolen og forplanter sig fra dipolen i alle retninger. Dipolen udsender en sfærisk bølge, som lang distance fra dipolen kan betragtes som flad (lokalt flad). Imidlertid er amplituderne af de elektriske og magnetiske feltstyrker skabt af dipolen, og derfor den udsendte energi, forskellige i forskellige retninger. De er maksimale i retninger vinkelret på dipolen og falder gradvist til nul langs dipolaksen. I denne retning udstråler dipolen praktisk talt ikke. Fordelingen af ​​udstrålet effekt i forskellige retninger er karakteriseret ved et strålingsmønster. Dipolens rumlige strålingsmønster har form af en toroid (fig. 5). Den samlede effekt, der udsendes af en dipol, afhænger af den tilførte effekt og forholdet mellem dens længde l og bølgelængde l. For at en dipol kan udstråle en betydelig brøkdel af den strøm, der leveres til den, bør dens længde ikke være lille sammenlignet med l/2. Relateret til dette er vanskeligheden ved at udsende meget lange bølger. Hvis l er valgt korrekt, og energitabet til opvarmning af dipollederne og ledningen er små, så bruges den overvejende del af kildeeffekten på stråling. Således er dipolen en forbruger af kildekraft,

som inkluderet i slutningen af ​​en linje aktiv modstand bruger den tilførte strøm. I denne forstand har dipolen en strålingsmodstand Ri, lig med det aktiv modstand, som ville forbruge den samme strøm. Dipolen beskrevet ovenfor er den enkleste sendeantenne og kaldes en symmetrisk vibrator. Det er første gang jeg har brugt sådan en vibrator. Hertz (1888) i eksperimenter, der opdagede eksistensen af ​​radiobølger. Elektriske svingninger i en Hertz-dipol (se Hertz-vibrator) blev exciteret ved hjælp af en gnistutladning - den eneste kilde til elektriske svingninger kendt på det tidspunkt. Sammen med en symmetrisk vibrator anvendes en asymmetrisk vibrator (fig. 6) (til længere bølger), der exciteres i bunden og udsender ensartet i vandret plan. Sammen med trådantenner (trådvibratorer) findes der andre typer radiobølgesendere. Magnetiske antenner er meget udbredt. Det er en stang lavet af magnetisk materiale med høj magnetisk permeabilitet m, hvorpå en spole af tynd tråd er viklet. De magnetiske feltlinjer i den magnetiske antenne gentager billedet elledninger elektrisk felt af en tråddipol (fig. 7, b), hvilket skyldes princippet om dualitet. Hvis der skæres en spalte i væggene af en radiobølgeleder eller hulrumsresonator, hvor vekseloverfladestrømme med ultrahøje frekvenser flyder, så den skærer strømmens retning, så er strømfordelingen kraftigt forvrænget, afskærmningen er brudt, og elektromagnetisk energi udstråles udad. Feltfordelingen af ​​en slot-emitter svarer til feltfordelingen af ​​en magnetisk antenne. Derfor kaldes slot-emitteren en magnetisk dipol (fig. 7, c, d; se også Slot-antenne). Strålingsmønsteret for magnet- og spalteemitterne såvel som den elektriske dipol er en toroid. Mere retningsbestemt stråling skabes af antenner, der består af flere lednings- eller slot-emittere. Dette er resultatet af interferens fra radiobølger udsendt af individuelle sendere. Hvis strømmene, der fodrer dem, har samme amplitude og fase (ensartet in-fase excitation), så i en tilstrækkelig lang afstand i retningen vinkelret på den udstrålende overflade, har bølgerne fra individuelle emittere de samme faser og giver maksimal stråling. Feltet skabt i andre retninger er meget svagere. En vis stigning i feltstyrken forekommer i de retninger, hvor faseforskellen for bølgerne, der kommer fra de yderste emittere, er lig med (n + 1) p/2, hvor n er et heltal. I dette tilfælde indeholder det plane tværsnit af strålingsmønsteret et antal lapper (fig. 8), hvoraf den største kaldes hovedlappen og svarer til den maksimale stråling, resten kaldes sidelapper. Moderne antenneteknologi bruger antennearrays, der indeholder op til 1000 emittere. Overfladen, hvorpå de er placeret, kaldes antennens åbning (åbning) og kan have enhver form. Ved at indstille forskellige fordelinger af amplituder og faser af strømme på aperturen kan enhver form for strålingsmønsteret opnås. Common-mode excitation af emittere, der danner et fladt array, gør det muligt at opnå meget høj strålingsdirektivitet, og ændring af strømfordelingen over aperturen gør det muligt at ændre formen på retningsbestemt mønster. For at øge retningsvirkningen af ​​stråling, som er karakteriseret ved bredden af ​​hovedlappen, er det nødvendigt at øge antennens størrelse. Forholdet mellem bredden af ​​hovedlappen q, største størrelse blænde L og udsendt bølgelængde l bestemmes af formlerne: for in-fase excitation og hvis emitterne er placeret langs en bestemt akse, og faseforskydningen i dem er valgt, så den maksimale stråling er rettet langs denne akse (fig. 9) ). C er konstanter, afhængig af fordelingen af ​​strømamplituden over blænden. Hvis radiobølgelederen gradvist udvider sig mod den åbne ende i form af en tragt eller et horn (fig. 10), så omdannes bølgen i bølgelederen gradvist til en bølge, der er karakteristisk for frit rum. En sådan hornantenne producerer retningsbestemt stråling. Meget høj strålingsdirektivitet (op til brøkdele af en grad ved decimeter og kortere bølger) opnås ved brug af spejl- og linseantenner. I dem, takket være processerne med refleksion og brydning, omdannes den sfæriske front af bølgen, der udsendes af en elektrisk eller magnetisk dipol eller hornemitter, til en flad. Men på grund af bølgediffraktion har diagrammet i dette tilfælde også en hoved- og sidelapper retning. Reflektorantennen er et metalspejl 1, ofte i form af en del af en rotationsparaboloid eller en parabolisk cylinder, i hvis fokus er den primære emitter (fig. 11). Linser til radiobølger er tredimensionelle gitter af metalkugler, stænger mv. (kunstig dielektrik) eller et sæt rektangulære bølgeledere. Modtagelse af radiobølger. Hver sendeantenne kan tjene som en modtageantenne. Hvis en elektrisk dipol påvirkes af en bølge, der udbreder sig i rummet, så exciterer dens elektriske felt strømsvingninger i dipolen, som derefter forstærkes, konverteres i frekvens og påvirker udgangsenhederne. Det kan vises, at dipolens strålingsmønstre i modtage- og sendetilstanden er de samme, dvs. at dipolen modtager bedre i de retninger, hvor den udstråler bedre. Dette er en fælles egenskab for alle antenner, der er et resultat af princippet om gensidighed: Hvis du placerer to antenner - sender A og modtager B - i begyndelsen og slutningen af ​​radiokommunikationslinjen, skifter generatorens fødeantenne A til modtageantenne B, skaber i den modtagende enhed, koblet til antenne A, den samme strøm, som den, der er inkluderet i antenne A, skaber i modtageren inkluderet i antenne B. Gensidighedsprincippet gør det muligt at bestemme dens karakteristika som en modtageantenne baseret på sendeantennens egenskaber. Den energi, som en dipol udvinder fra en elektromagnetisk bølge, afhænger af forholdet mellem dens længde l, bølgelængden l og vinklen y mellem retningen v af bølgens ankomst og dipolen. Vinklen j mellem retningen af ​​den elektriske bølgevektor og dipolen er også signifikant (fig. 12). De bedste modtageforhold er ved j = 0. Ved j = p/2 er den elektriske strøm i dipolen ikke exciteret, dvs. der er ingen modtagelse. Hvis 0 er denne energi forbundet med polariseringen af ​​den indkommende bølge. Af ovenstående følger, at ved udsendende og modtagende dipoler for de bedste forhold Til modtagelse er det nødvendigt, at begge dipoler ligger i samme plan, og at den modtagende dipol er vinkelret på bølgeudbredelsesretningen. I dette tilfælde udtrækker den modtagende dipol fra den indkommende bølge lige så meget energi, som denne bølge bærer med sig, og passerer gennem et tværsnit i form af en firkant med en side svarende til antennens støj. Modtagerantennen er altid under forhold, hvor den ud over det nyttige signal er påvirket af støj. Luften og jordens overflade nær antennen, der absorberer energi, i overensstemmelse med Rayleigh-Jeans lov om stråling skaber elektromagnetisk stråling. Støj opstår også på grund af Joule-tab i forsyningsenhedernes ledere og dielektrikum. Al støj af ekstern oprindelse er beskrevet af den såkaldte støj- eller antennetemperatur TA. Effekten Psh af ekstern støj ved antenneindgangen i modtagerens frekvensbånd Dn er lig med: Psh =k TA Dn (k - Boltzmann konstant). Ved frekvenser under 30 MHz spiller atmosfærisk støj en fremherskende rolle. I området for centimeterbølger ydes det afgørende bidrag af stråling fra jordens overflade, som normalt kommer ind i antennen på grund af sidesløjferne i dens strålingsmønster. Derfor, for svagt retningsbestemte antenner, er antennetemperaturen på grund af Jorden høj; det kan nå 140-250; for stærkt retningsbestemte antenner er det normalt 50-80 K, og med særlige foranstaltninger kan det reduceres til 15-20 K. For specifikke typer antenner, deres egenskaber og anvendelser, se art. Antenne. Bogst.: Khaikin. E., Elektromagnetiske bølger, 2. udg.,. - L., 1964; Goldstein. D., Zernov. V., Elektromagnetiske felter og bølger, M., 1956; Rameau S., Winnery J., Marker og bølger i moderne radioteknik, trans. fra engelsk, 2. udg., M. - L., 1950. Redigeret af L. Bahrazha.

Bevist, at elektromagnetisk energi kan sendes ud i rummet i form af radiobølger, der bevæger sig gennem atmosfæren med omtrent lysets hastighed. Denne opdagelse hjalp med at udvikle principperne for radiokommunikation, som stadig bruges i dag. Derudover beviste videnskabsmanden, at radiobølger er af elektromagnetisk karakter, og deres hovedkarakteristik er den frekvens, hvormed energien svinger mellem elektriske og magnetiske felter. Frekvens i Hertz (Hz) er relateret til bølgelængden λ, som er den afstand, en radiobølge tilbagelægger under en svingning. Således opnås følgende formel: λ = C/F (hvor C er lig med lysets hastighed).

Principperne for radiokommunikation er baseret på transmission af informationsbærende radiobølger. De kan overføre tale eller digitale data. For at gøre dette skal radiostationen have:

En enhed til at indsamle information til et elektrisk signal (såsom en mikrofon). Dette signal kaldes basebånd i det normale lydområde.

Modulator til at introducere information i signalfrekvensbåndet ved det valgte

En sender, et signal, der sender det til antennen.

En antenne lavet af en elektrisk ledende stang af en vis længde, der vil udsende en elektromagnetisk radiobølge.

Signalforstærker på modtagersiden.

En demodulator, der vil være i stand til at gendanne den oprindelige information fra det modtagne radiosignal.

Endelig en anordning til gengivelse af den transmitterede information (for eksempel en højttaler).

Det moderne princip for radiokommunikation blev udtænkt i begyndelsen af ​​forrige århundrede. På det tidspunkt blev radio udviklet primært til at transmittere stemme og musik. Men meget hurtigt blev det muligt at bruge principperne for radiokommunikation til at transmittere mere kompleks information. For eksempel som tekst. Dette førte til opfindelsen af ​​Morse-telegrafen.

Fælles for stemme, musik eller telegraf er, at den grundlæggende information er indkodet i, som er karakteriseret ved amplitude og frekvens (Hz). Mennesker kan høre lyde fra 30 Hz til cirka 12.000 Hz. Dette område kaldes lydspektret.

Radiofrekvensspektret er opdelt i forskellige, som hver især har specifikke karakteristika med hensyn til emission og dæmpning i atmosfæren. Der er kommunikationsapplikationer beskrevet i nedenstående tabel, som fungerer i et eller andet område.

LF bånd	fra 30 kHz	op til 300 kHz	Anvendes hovedsageligt til fly, beacons, navigation og informationstransmission.
FM bånd	fra 300 kHz	op til 3000 kHz	Anvendes til digital udsendelse.
HF rækkevidde	fra 3000 kHz	op til 30.000 kHz	Denne rækkevidde er bredt velegnet til mellem- og langdistance jordbaseret radiokommunikation.
VHF bånd	fra 30000 kHz	op til 300.000 kHz	VHF bruges almindeligvis til jordbaseret radioudsendelse og kommunikation mellem skibe og fly.
UHF bånd	fra 300.000 kHz	op til 3000000 kHz	Dette spektrum driver satellitpositioneringssystemer såvel som mobiltelefoner.

I dag er det svært at forestille sig, hvad menneskeheden ville gøre uden radiokommunikation, som har fundet sin anvendelse i mange moderne enheder. For eksempel bruges principperne for radio og tv i mobiltelefoner, tastaturer, GPRS, Wi-Fi, trådløs computernetværk og så videre.

Emission af radiobølger er processen med excitation af vandrende elektromagnetiske bølger fra radioområdet i rummet omkring kilden til strøm- eller ladningssvingninger. I dette tilfælde omdannes kildens energi til energien fra elektromagnetiske bølger, der forplanter sig i rummet. Modtagelse af radiobølger er den omvendte proces af stråling. Det består i at konvertere energien fra elektromagnetiske bølger til vekselstrømsenergi. I. og p.r. udføres ved hjælp af sende- og modtageantenner (Se Antenne).

Emission af radiobølger.

Ris. 1. Sluk for induktoren.

Kilden til primære elektriske svingninger kan være vekselstrømme, der strømmer gennem ledere, vekselfelter osv. Vekselstrømme med relativt lav frekvens (f.eks. industriel frekvens 50 Hz) er dog uegnede til stråling: ved disse frekvenser er det umuligt at skabe en effektiv emitter. Faktisk, hvis der forekommer elektriske svingninger, for eksempel i en induktansspole, hvis dimensioner er små sammenlignet med bølgelængden λ svarende til oscillationsfrekvensen af ​​strømmen, der flyder i spolen, for hver sektion med en strømretning, for eksempel A (fig. 1), er der et andet afsnit B, fjernet fra A i en afstand mindre end λ/2, hvor strømmens retning på samme tidspunkt er modsat. I store afstande fra spolen svækker bølgerne udsendt af elementerne A og B hinanden. Da spolen består af sådanne par af modfaseelementer, udstråler den, og derfor hele spolen, dårligt. Et oscillerende kredsløb, der indeholder en induktor og en kondensator, udsender også dårligt. På hvert tidspunkt af tiden er ladningerne på kondensatorpladerne lige store, modsatte i fortegn og adskilt fra hinanden i en afstand væsentligt mindre end λ/2. Af ovenstående følger det, at for effektiv stråling af radiobølger kræves et åbent (åbent) kredsløb, hvor der enten ikke er sektioner med modfasesvingninger af strøm eller ladning, eller afstanden mellem dem ikke er lille sammenlignet med λ/2 . Hvis dimensionerne af kredsløbet er sådan, at udbredelsestidspunktet for ændringer i det elektromagnetiske felt i det er sammenligneligt med perioden med svingninger af strømmen eller ladningen (hastigheden af ​​udbredelse af forstyrrelser er begrænset), så er betingelserne for kvasi- stationær tilstand er ikke opfyldt (se Kvasistationær proces), og en del af kildeenergien går tabt i form af elektromagnetiske bølger. Til praktiske formål kan elektromagnetiske bølger med λ< 10 км.

Udsendere.

Ris. 2. Elektrisk dipol.

Den enkleste radiobølgesender består af to segmenter A og B lige leder, knyttet til enderne af OO' to-leder linje, langs hvilken den elektromagnetiske bølge forplanter sig (fig. 2). I segmenterne A og B, under påvirkning af bølgens elektriske felt, forekommer en bevægelse af ladninger, dvs. vekselstrøm. På hvert tidspunkt af tiden er ladningerne i punkterne O og O' lige store og modsatte i fortegn, dvs. segmenterne A og B danner en elektrisk dipol, som bestemmer konfigurationen af ​​det elektriske felt, det skaber. På den anden side er strømmene i segmenterne A og B sammenfaldende i retning, derfor er magnetfeltlinjerne, som i tilfældet med en retlinet strøm, cirkler (fig. 3).

Ris. 3. Struktur af elektriske E og magnetiske H felter nær en dipol: stiplet linje - elektriske feltlinjer; tynde linjer er magnetiske feltlinjer; O - observationspunkt.

I rummet omkring dipolen opstår således et elektromagnetisk felt, hvor felterne E og H står vinkelret på hinanden. Det elektromagnetiske felt forplanter sig i rummet og bevæger sig væk fra dipolen (fig. 4).

Ris. 4. Øjeblikkelige billeder af elektriske feltlinjer nær en dipol i tidsintervaller adskilt fra hinanden med 1/8 af perioden T for strømsvingninger.

De bølger, som dipolen udsender, har en vis polarisering. Bølgens elektriske feltstyrkevektor E ved observationspunktet O (fig. 3) ligger i det plan, der går gennem dipolen, og radiusvektoren r trukket fra dipolens centrum til observationspunktet. Magnetfeltvektoren H er vinkelret på dette plan.

Et vekslende elektromagnetisk felt opstår i hele rummet omkring dipolen og spredes fra dipolen i alle retninger. Dipolen udsender en sfærisk bølge, som i stor afstand fra dipolen kan betragtes som flad (lokalt flad). Imidlertid er amplituderne af de elektriske og magnetiske feltstyrker skabt af dipolen, og derfor den udsendte energi, forskellige i forskellige retninger. De er maksimale i retninger vinkelret på dipolen og falder gradvist til nul langs dipolaksen. I denne retning udstråler dipolen praktisk talt ikke. Fordelingen af ​​udstrålet effekt i forskellige retninger er karakteriseret ved et strålingsmønster. Dipolens rumlige strålingsmønster har form af en toroid (fig. 5).

Ris. 5. Rumligt strålingsmønster af en elektrisk dipol.

Ris. 6. Asymmetrisk vibrator; G - generator af elektriske svingninger.

Den samlede effekt, der udsendes af en dipol, afhænger af effekttilførslen og forholdet mellem dens længde l og bølgelængde λ. For at en dipol kan udstråle en betydelig brøkdel af den strøm, der leveres til den, bør dens længde ikke være lille sammenlignet med λ/2. Relateret til dette er vanskeligheden ved at udsende meget lange bølger. Hvis l er valgt korrekt, og energitabet til opvarmning af dipollederne og ledningen er små, så bruges den overvejende del af kildeeffekten på stråling. Således er dipolen en forbruger af kildestrøm, som en aktiv modstand forbundet til enden af ​​linjen, der forbruger den tilførte strøm. I denne forstand har dipolen en strålingsmodstand Ri lig med den aktive modstand, i hvilken den samme effekt ville blive forbrugt. Dipolen beskrevet ovenfor er den enkleste sendeantenne og kaldes en symmetrisk vibrator. En sådan vibrator blev første gang brugt af G. Hertz (1888) i eksperimenter, der opdagede eksistensen af ​​radiobølger. Elektriske svingninger i en Hertz-dipol (se Hertz-vibrator) blev exciteret ved hjælp af en gnistutladning - den eneste kilde til elektriske svingninger kendt på det tidspunkt. Sammen med en symmetrisk vibrator anvendes en asymmetrisk vibrator (fig. 6) (til længere bølger), der exciteres i bunden og udsender ensartet i vandret plan.

Sammen med trådantenner (trådvibratorer) findes der andre typer radiobølgesendere. Magnetiske antenner er meget udbredt. Det er en stang lavet af magnetisk materiale med høj magnetisk permeabilitet μ, hvorpå en spole af tynd tråd er viklet. Magnetantennens magnetfeltlinjer gentager mønsteret af tråddipolens elektriske feltlinjer (fig. 7, a, b), hvilket skyldes princippet om dualitet.

Ris. 7. Sammenligning af elektriske dipol (a), magnetiske (6) og spalte (c, d) emittere; 1 - leder med strøm; 2 - stang lavet af materiale med høj magnetisk permeabilitet; 3 - metalskærm, hvori en slids skæres; 4 - ledere, der kommer fra generatoren af ​​højfrekvente elektriske svingninger; 5 - elektriske feltlinjer; 6 - magnetiske feltlinjer.

Ved frekvenser under 30 MHz spiller atmosfærisk støj en fremherskende rolle. I området for centimeterbølger ydes det afgørende bidrag af stråling fra jordens overflade, som normalt kommer ind i antennen på grund af sidesløjferne i dens strålingsmønster. Derfor, for svagt retningsbestemte antenner, er antennetemperaturen på grund af Jorden høj; det kan nå 140-250 K; for stærkt retningsbestemte antenner er det normalt 50-80 K, og med særlige foranstaltninger kan det reduceres til 15-20 K.

For specifikke typer antenner, deres egenskaber og anvendelser, se art. Antenne.

Lit.: Khaikin S.E., Electromagnetic waves, 2. udgave, M. - Leningrad, 1964; Goldshtein L. D., Zernov N. V., Elektromagnetiske felter og bølger, M., 1956; Rameau S., Winnery J., Marker og bølger i moderne radioteknik, trans. fra engelsk, 2. udg., M. - Leningrad, 1950. Redigeret af L. D. Bakhrazh.

Radiobølger og deres udbredelse er et ubestrideligt mysterium for nybegyndere. Her kan du stifte bekendtskab med det grundlæggende i teorien om radiobølgeudbredelse. Denne artikel er beregnet til at gøre begyndere bekendt med ether, såvel som for dem, der har en idé om det.

Den vigtigste introduktion, som ofte glemmes at blive nævnt før man introducerer teorien om radiobølgeudbredelse, er, at radiobølger forplanter sig rundt på vores planet på grund af refleksion fra ionosfæren og fra jorden, da en lysstråle reflekteres fra gennemskinnelige spejle.

Funktioner af mellembølgeudbredelse og krydsmodulation

Mellembølger omfatter radiobølger med en længde på 1000 til 100 m (frekvenser 0,3 - 3,0 MHz). Mellembølger bruges hovedsageligt til udsendelser. De er også vugge for indenlandsk radiopirateri. De kan spredes ad terrestriske og ionosfæriske ruter. Mellembølger oplever betydelig absorption i jordens halvledende overflade, udbredelsen af ​​jordbølgen 1 (se fig. 1) er begrænset til en afstand på 500-700 km. Over lange afstande forplantes radiobølger 2 og 3 af en ionosfærisk (rumlig) bølge.

Om natten forplanter mellembølger sig ved refleksion fra ionosfærens E-lag (se fig. 2), hvis elektrontæthed er tilstrækkelig til dette. I dagtimerne, langs bølgeudbredelsen, er lag D placeret, som ekstremt kraftigt absorberer mellembølger. Derfor, hvornår normale kapaciteter sendere, er den elektriske feltstyrke utilstrækkelig til modtagelse, og i dagtimerne sker udbredelsen af ​​mellembølger næsten udelukkende af jordbølgen på en relativt korte afstande, omkring 1000 km. I mellembølgeområdet oplever længere bølger mindre absorption, og den ionosfæriske bølges elektriske feltstyrke er større ved længere bølgelængder. Absorptionen stiger i sommermånederne og falder om vinteren. Ionosfæriske forstyrrelser påvirker ikke udbredelsen af ​​mellembølger, da E-laget er let forstyrret under ionosfæriske magnetiske storme.

Om natten, se fig. 1, i en vis afstand fra senderen (punkt B), er ankomsten af ​​rumbølger 3 og overfladebølger 1 mulig på samme tid, og rumbølgens vejlængde ændres med ændringer i ionosfærens elektrontæthed. Ændring af faseforskellen af ​​disse bølger fører til fluktuationer i den elektriske feltstyrke, kaldet nærfeltfading.

Bølger 2 og 3 kan ankomme i betydelig afstand fra senderen (punkt C) gennem en eller to refleksioner fra ionosfæren. Ændring af faseforskellen for disse to bølger resulterer også i en fluktuation i den elektriske feltstyrke, kaldet langfeltfading.

For at bekæmpe fading i sendeenden af ​​kommunikationslinjen anvendes antenner, hvor det maksimale af strålingsmønsteret "presses" til jordens overflade, disse omfatter bl.a. den enkleste antenne"Inverted-V", ret ofte brugt af radioamatører. Med et sådant strålingsmønster bevæger nær-fading-zonen sig væk fra senderen, og på store afstande viser sig feltet af bølgen, der ankommer gennem to refleksioner, at være svækket.

Desværre er det ikke alle nybegyndere, der opererer i frekvensområdet 1600-3000 kHz, der ved, at et svagt signal fra laveffektsender modtagelige for ionosfæriske forvrængninger. Signal fra flere kraftige radiosendere mindre modtagelige for ionosfæriske forvrængninger. På grund af den ikke-lineære ionisering af ionosfæren sker der modulering svagt signal modulerende spænding af signaler fra kraftige stationer. Dette fænomen kaldes krydsmodulation. Modulationskoefficientens dybde når 5-8%. Fra modtagesiden får man indtrykket af en dårligt lavet sender, med alverdens brummen og hvæsen, dette er især mærkbart i AM-modulationstilstanden.

På grund af krydsmodulation trænger intens lyninterferens ofte ind i modtageren, som ikke kan filtreres fra - lynudladningen modulerer det modtagne signal. Det er af denne grund, at radiostationer begyndte at bruge enkeltsidebåndssendere til to-vejs radiokommunikation og begyndte at operere oftere ved højere frekvenser. Udenlandske radiostationer af CB-stationer øger deres effekt og komprimerer de modulerende signaler, og til uforvrænget drift i luften bruger de inverterede frekvenser.

Fænomenerne demodulation og krydsmodulation i ionosfæren observeres kun i mellembølgeområdet (MV). I det korte bølgelængdeområde (SW) er hastigheden af ​​en elektron under påvirkning af et elektrisk felt ubetydelig sammenlignet med dens termiske hastighed, og tilstedeværelsen af ​​feltet ændrer ikke antallet af kollisioner af elektronen med tunge partikler.

De mest gunstige forhold i frekvensområdet fra 1500 til 3000 kHz for langdistancekommunikation er vinternætter og perioder med minimal solaktivitet. Især langdistancekommunikation, mere end 10.000 km, er normalt mulig under solnedgang og solopgang. I dagtimerne er kommunikation mulig over en afstand på op til 300 km. Gratis FM-radiosendere kan kun misunde så store radioruter.

Om sommeren er dette område ofte påvirket af interferens fra statiske udladninger i atmosfæren.

Funktioner ved kortbølgeudbredelse og deres egenskaber

Kortbølger omfatter radiobølger med en længde på 100 til 10 m (frekvenser 3-30 MHz). Fordelen ved at arbejde ved korte bølgelængder frem for at arbejde ved længere bølgelængder er, at retningsantenner let kan konstrueres i dette område. Korte bølger kan forplante sig som terrestriske bølger, i den lavfrekvente del af området og som ionosfæriske bølger.

Når frekvensen stiger, øges absorptionen af ​​bølger i Jordens halvledende overflade meget. Derfor breder kortbølgede terrestriske bølger sig med normale sendereffekter over afstande, der ikke overstiger flere titusinder af kilometer. På havets overflade øges denne afstand betydeligt.

ionosfærisk bølge korte bølger kan sprede sig over mange tusinde kilometer, og det kræver ikke sendere høj effekt. Derfor bruges korte bølger på nuværende tidspunkt hovedsageligt til kommunikation og udsendelse over lange afstande.

Korte bølger forplanter sig over lange afstande ved refleksion fra ionosfæren og jordens overflade. Denne formeringsmetode kaldes hop, se fig. 2 og er karakteriseret ved hopdistancen, antallet af hop, udgangs- og ankomstvinkler, maksimal brugbar frekvens (MUF) og mindst brugbar frekvens (LOF).

Hvis ionosfæren er homogen i vandret retning, så er bølgebanen symmetrisk. Typisk forekommer stråling i et bestemt vinklerområde, da bredden af ​​strålingsmønsteret for kortbølgeantenner i det lodrette plan er 10-15°. Den mindste springafstand, for hvilken refleksionsbetingelsen er opfyldt, kaldes afstanden til den stille zone (ZZ). For at reflektere en bølge er det nødvendigt, at driftsfrekvensen ikke er højere end værdien af ​​den maksimale anvendelige frekvens (MUF), som er den øvre grænse for driftsområdet for givet afstand. Bølge 4.

Brugen af ​​antiluftfartøjsstrålingsantenner, som en af ​​metoderne til at reducere stilhedszonen, er begrænset af konceptet med den maksimale anvendelige frekvens (MUF), under hensyntagen til dens reduktion med 15-20% af MUF. Luftværnsstrålingsantenner bruges til udsendelse i den nære zone ved hjælp af metoden med enkelthop-reflektion fra ionosfæren.

Den anden betingelse begrænser driftsområdet nedefra: jo lavere driftsfrekvens (inden for kortbølgeområdet), jo stærkere er absorptionen af ​​bølgen i ionosfæren. Den laveste anvendelige frekvens (LOF) bestemmes ud fra den betingelse, at med en sendereffekt på 1 kW skal signalets elektriske feltstyrke overstige støjniveauet, og derfor bør signalabsorptionen i de ionosfæriske lag ikke være mere end tilladt. . Ionosfærens elektrontæthed ændrer sig i løbet af dagen, hele året og i perioden med solaktivitet. Det betyder, at grænserne for driftsområdet også ændres, hvilket medfører behov for at ændre arbejdslængde bølger i løbet af dagen.

Frekvensområde 1,5–3 MHz, er nataktiv. Det er klart, at for at kunne gennemføre en radiokommunikationssession skal du vælge den rigtige frekvens (bølgelængde) hver gang, og dette komplicerer også stationens design, men for en sand kender af langdistancekommunikation er dette ikke en vanskelighed, det er en del af hobbyen. Lad os evaluere HF-området efter område.

Frekvensområde 5-8 MHz, ligner på mange måder 3 MHz rækkevidden, og i modsætning til den kan du her i dagtimerne kommunikere op til 2000 km; der er ingen stilhedszone (ZZ) og er flere titusinder af kilometer. Om natten er kommunikation mulig over enhver afstand med undtagelse af ZM, som stiger til flere hundrede kilometer. I de skiftende timer på dagen (solnedgang/solopgang) er de mest bekvemme til langdistancekommunikation. Atmosfærisk interferens er mindre udtalt end i området 1,5-3 MHz.

I frekvensområdet 10-15 MHz I perioder med solaktivitet er kommunikation i dagtimerne mulig med næsten ethvert punkt på kloden. Om sommeren er varigheden af ​​radiokommunikation i dette frekvensområde døgnet rundt med undtagelse af visse dage. Stilhedszonen om natten har afstande på 1500-2000 km, og derfor er kun langdistancekommunikation mulig. I dagtimerne falder de til 400-1000 km.

Frekvensområde 27-30 MHz kun egnet til kommunikation i dagslyse timer dage. Dette er det mest lunefulde område. Den åbner normalt i et par timer, dage eller uger især når årstiderne skifter, dvs. i efteråret og foråret. Stilhedszonen (ZZ) når 2000-2500 km. Dette fænomen relaterer sig til emnet MUF, her skal vinklen på den reflekterede bølge være lille i forhold til ionosfæren, ellers har den en stor dæmpning i ionosfæren, eller går simpelthen ud i det ydre rum. Små strålingsvinkler svarer til store spring og dermed store stilhedszoner. I perioder med maksimal solaktivitet er kommunikation mulig om natten.

Ud over de anførte modeller er tilfælde af unormal udbredelse af radiobølger mulige. Uregelmæssig udbredelse kan forekomme, når et sporadisk lag opstår på en bølges vej, hvorfra kortere bølger, op til meterbølger, kan reflekteres. Dette fænomen kan observeres i praksis ved passage af fjerntliggende tv-stationer og FM-radiostationer. Radiosignalets MUF i disse timer når 60-100 MHz under solaktivitetsår.

I rækken VHF FM, Med undtagelse af sjældne tilfælde af unormal radiobølgeudbredelse, skyldes udbredelsen strengt taget den såkaldte "synslinje". Udbredelsen af ​​radiobølger inden for sigtelinjen taler for sig selv og bestemmes af højden på sende- og modtageantennerne. Det er klart, at vi i byområder ikke kan tale om nogen visuel eller direkte synlighed, men radiobølger passerer gennem byområder med en vis dæmpning. Jo højere frekvens, jo højere dæmpning i byområder. Frekvensområdet 88-108 MHz er også underlagt en vis dæmpning under byforhold.

Fading af HF-radiosignaler

Modtagelse af korte radiobølger ledsages altid af en måling af niveauet af det modtagne signal, og denne ændring er tilfældig og midlertidig. Dette fænomen kaldes fading af et radiosignal. Der er hurtige og langsomme signaltonninger i luften. Dybden af ​​fading kan nå op til adskillige snese af decibel.

Hovedårsagen til hurtig signalfading er multipath-udbredelsen af ​​radiobølger. I dette tilfælde er årsagen til fading ankomsten til modtagepunktet af to stråler, der forplanter sig gennem en og to refleksioner fra ionosfæren, bølge 1 og bølge 3, se fig. 2.

Da strålerne rejser forskellige veje, er deres ankomstfaser ikke de samme. Ændringer i elektrontæthed, der kontinuerligt forekommer i ionosfæren, fører til en ændring i vejlængden for hver af strålerne og følgelig til en ændring i faseforskellen mellem strålerne. For at ændre bølgefasen med 180° er det nok, at vejlængden kun ændres med ½. Det skal huskes, at når stråler fra et signal ankommer til modtagepunktet med samme styrke og med en faseforskel på 180°, trækkes de fuldstændigt fra i henhold til vektorloven, og styrken af ​​det indkommende signal i dette tilfælde kan være lig nul. Sådanne små ændringer i vejlængde kan forekomme kontinuerligt, så udsving i elektrisk feltstyrke i det korte bølgelængdeområde er hyppige og dybe. Deres observationsinterval på 3-7 minutter kan være lave frekvenser HF-område og op til 0,5 sekunder ved frekvenser tættere på 30 MHz.

Derudover er signalfading forårsaget af spredning af radiobølger på uregelmæssigheder i ionosfæren og interferens af spredte bølger.

Ud over interferensfading forekommer der ved korte bølger polarisationsfading. Årsagen til polarisationsfading er rotationen af ​​bølgens polariseringsplan i forhold til den modtagne antenne. Dette sker, når bølgen forplanter sig i retning af Jordens magnetfeltlinjer, og med en ændring i ionosfærens elektrontæthed. Hvis sende- og modtageantennerne er vandrette vibratorer, vil den vandret udsendte polariserede bølge gennemgå en rotation af polarisationsplanet efter at have passeret gennem ionosfæren. Dette fører til udsving i f.eks. d.s., induceret i antennen, som har en ekstra dæmpning på op til 10 dB.

I praksis virker alle de ovennævnte årsager til signalfading som regel på en kompleks måde og overholder den beskrevne Rayleigh-distributionslov.

Udover hurtig fading observeres langsom fading, som observeres med en periode på 40-60 minutter i den lavfrekvente del af HF-området. Årsagen til disse fadinger er en ændring i absorptionen af ​​radiobølger i ionosfæren. Fordelingen af ​​signalamplitudeindhylningen under langsom fading adlyder en normalt logaritmisk lov med et fald i signalet til 8-12 dB.

For at bekæmpe fading bruges metoden til modtagelse med diversitetsantenner på korte bølger. Faktum er, at stigningen og faldet i elektrisk feltstyrke ikke forekommer samtidigt, selv over et relativt lille område af jordens overflade. I praksis med kortbølgekommunikation bruges der normalt to antenner, adskilt af flere bølgelængder, og signalerne kombineres efter detektion. Polarisationsdiversitet af antenner er effektiv, dvs. samtidig modtagelse på lodrette og vandrette antenner med efterfølgende tilføjelse af signaler efter detektion.

Jeg vil gerne bemærke, at disse modforanstaltninger kun er effektive til at eliminere hurtig fading; langsomme signalændringer elimineres ikke, da dette er forbundet med en ændring i absorptionen af ​​radiobølger i ionosfæren.

I amatørradiopraksis bruges diversitetsantennemetoden ret sjældent på grund af de høje konstruktionsomkostninger og manglen på behov for at modtage tilstrækkelig pålidelig information. Dette skyldes det faktum, at amatører ofte bruger resonans- og rækkeviddeantenner, hvis antal i hans husstand er omkring 2-3 stykker. Brugen af ​​diversitetsmodtagelse kræver mindst en fordobling af antenneflåden.

Det er en anden sag, når amatøren bor i landdistrikter, der samtidig har tilstrækkeligt areal til at rumme anti-fading-strukturen, kan han blot bruge to bredbåndsvibratorer til dette, der dækker alle eller næsten alle de nødvendige områder. Den ene vibrator skal være lodret, den anden vandret. For at gøre dette er det slet ikke nødvendigt at have flere master. Det er nok at placere dem på en mast, så de er orienteret i forhold til hinanden i en vinkel på 90°. De to antenner i dette tilfælde vil ligne den velkendte "Inverted-V" antenne.

Beregning af radiosignalets dækningsradius i VHF/FM-båndene

Målerfrekvenser bevæger sig inden for synsvidde. Rækkevidden af ​​radiobølgeudbredelse inden for synsvidde, uden at tage hensyn til senderens strålingseffekt og andre naturfænomener, der reducerer kommunikationseffektiviteten, ser sådan ud:

r = 3,57 (√h1 + √h2), km,

Lad os beregne sigtelinjeradier når du installerer modtageantennen i forskellige højder, hvor h1 er en parameter, h2 = 1,5 m. Lad os opsummere dem i tabel 1.

tabel 1

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

Denne formel tager ikke højde for signaldæmpning og sendereffekt; den taler kun om muligheden for sigtelinje under hensyntagen til en perfekt rund jord.

Lad os lave en beregning påkrævet niveau radiosignal sammen med modtagelse for en bølgelængde på 3 m.

Da der på stierne mellem sendestationen og det bevægelige objekt altid er sådanne fænomener som refleksioner, spredning, absorption af radiosignaler forskellige genstande osv., bør der foretages korrektioner til niveauet af signaldæmpning, som blev foreslået af den japanske videnskabsmand Okumura. Standardafvigelsen for dette område med byområder vil være 3 dB, og med en kommunikationssandsynlighed på 99 % vil vi indføre en faktor på 2, hvilket vil svare til en total korrektion P i radiosignalniveauet på
P = 3 × 2 = 6 dB.

Modtageres følsomhed bestemmes af forholdet mellem det nyttige signal over støj på 12 dB, dvs. 4 gange. Dette forhold er ikke acceptabelt for radioudsendelser af høj kvalitet, så vi vil indføre en yderligere korrektion på yderligere 12-20 dB og acceptere 14 dB.

I alt vil den overordnede korrektion i niveauet af det modtagne signal, under hensyntagen til dets dæmpning langs stien og den modtagende enheds specifikationer, være: 6 + 16 20 dB (10 gange). Derefter med en modtagerfølsomhed på 1,5 μV. ved receptionspladsen et felt med en styrke på 15 µV/m.

Lad os beregne ved hjælp af Vvedenskys formel rækkevidde ved en given feltstyrke på 15 µV/m, under hensyntagen til sendereffekt, modtagerfølsomhed og byområder:

hvor r er km; P - kW; G - dB (=1); h - m; X - m; E - mV.

Denne beregning tager ikke højde for forstærkningen af ​​modtagerantennen, samt dæmpning i feeder og båndpasfilter.

Svar: Med en effekt på 10 W, strålingshøjde h1 = 27 meter og h2 = 1,5 m vil virkelig højkvalitets radiomodtagelse med en radius i byområder være 2,5-2,6 km. Hvis vi tager i betragtning, at modtagelsen af ​​radiosignaler fra din radiosender vil blive udført på mellem- og høje etager i beboelsesbygninger, vil dette handlingsområde øges med cirka 2-3 gange. Hvis du modtager radiosignaler ved hjælp af en fjernantenne, vil rækkevidden være på snesevis af kilometer.

73! UA9LBG & Radio-Vector-Tyumen

Mange mennesker, der ikke har grundlæggende begreber om energityper og deres egenskaber, taler ofte om måder trådløs transmission energi over afstande. Andre, der ikke ved, hvordan radiobølger forplanter sig, laver antenner til deres radiosendere og radiomodtagere og forsøger at opnå maksimale transmissions- og modtagelseskarakteristika, men de mislykkes. Nogle læser smarte bøger, mens andre stoler på erfaring eller råd fra en analfabet ven. For at fjerne i det mindste nogle af misforståelserne og give en idé om elektromagnetiske bølger og deres type - radiobølger, er denne artikel viet.

Som sædvanlig vil jeg ikke beskrive formlerne for Maxwell, Faraday og andre berømte videnskabsmænd. Der er et stort antal af dem i fysiklærebøger, som selv jeg, der har uddannelse og erfaring med radioelektronik, ikke forstår, hvorfor disse lærebøger indeholder abstrude formler, men den enkleste information af nyttig praktisk værdi mangler? Den næste dag eller uge efter eksamen vil eleven trods alt ikke huske disse formler, og han vil ikke kende simple begreber, ligesom han ikke kendte dem.

Lad os starte med det faktum, at den store opfinder og udøver af elektriske maskiner, Nikola Tesla, aktivt brugte elektromagnetiske svingninger i sine eksperimenter, som ingen kendte til før, og som vi nu ved fra gymnasiets fysiklærebøger, genererer de en type elektromagnetisk bølger - radiobølger. Men jeg gentager, på Teslas tid var der ingen, der vidste om eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger. Intuitivt, gennem observationer, forstod Tesla, at som et resultat af hans eksperimenter dukkede en eller anden form for energi op i det omgivende rum. Men i de dage var der ingen sådan videnskab og udstyr, der ville tillade os at afsløre begrebet elektromagnetiske bølger. Derfor blev dette fænomen betragtet som en filosofisk kategori, som Tesla kaldte - æter.

I dag hævder de, at "æter" og elektromagnetiske bølger er forskellige begreber. De er kun helt forkerte, fordi absolut alle Teslas opfindelser er baseret på brugen af ​​en almindelig variabel elektrisk strøm og elektromagnetiske felter, som igen genererer ikke "ether", men de mest almindelige elektromagnetiske bølger i radiofrekvensområdet. Det er det, der i øjeblikket kaldes elektromagnetiske bølger, som Nikola Tesla kaldte æter i de dage. Der kan ikke være andre forklaringer. Man kan længe argumentere for, at det er forskellige begreber. For eksempel er der nogen, der skummer om munden og forsøger at bevise, at æterens udbredelseshastighed er større end lysets hastighed, men der er ingen dokumentation. Ved hjælp af hvilket eksperiment kunne Nikola Tesla måle æterens hastighed? Der er ingen sådanne oplysninger nogen steder. Der er kun én konklusion: han målte det ikke, men antog det kun. Du vil sige, at æteren bærer energi? Mit svar er, at enhver elektromagnetisk bølge bærer energi! Jeg stødte på praktiske kredsløb til radiomodtagere uden batterier, designet til ikke at arbejde med hovedtelefoner eller et dynamisk hoved, men til at modtage jævnstrøm "ud af den blå luft" af de beboere i megabyer, der bor ved siden af ​​kraftfulde tv- og radiocentre.

– sinusformet elektromagnetisk oscillation i rummet. Den almindeligt accepterede forkortelse er EMV. En elektromagnetisk bølge er lys, varmestråler i det usynlige infrarøde område, røntgenstråler og radiobølger. Den eneste forskel er vibrationsstyrken og bølgelængden. Især beskæftigede Tesla sig med radiobølger. Faktisk er han opfinderen af ​​radioen, og ikke Marconi og Popov. Sidstnævnte var i stand til at beskrive radiobølger, hvorfor de betragtes som radioens opfindere. Tesla var en opdager, men på det tidspunkt havde han ikke videnskabelige forklaringer, som dukkede op meget senere med Popov og Marconi. Derudover brugte de radiobølger i praksis nyttige formål. Tesla skrev på et tidspunkt om overførslen af ​​et informationssignal ved hjælp af en sender og modtager, men ved at blive båret væk af lynet havde han simpelthen ikke tid til at opfinde deres praktiske enheder. Et rimeligt spørgsmål er, hvad der vibrerer i elektromagnetiske bølger? Jeg vil svare, uden at gå for langt ned i kernefysikken, det er fotoner - energikoagler, der har et elektromagnetisk felt, men ikke har masse. Det er disse egenskaber, der tillader fotoner at være energibærere. Atomforskere fortsætter med at "nedbryde" fotoner til deres bestanddele. Vi vil ikke fortsætte denne tankegang, vi ønsker dem succes, fordi dette ikke er emnet for artiklen. Hvis du er imod at tro, at "ether" er elektromagnetiske bølger, så prøv at acceptere, at "ether" er fotoner, og elektromagnetiske bølger er i bund og grund en rettet strøm af fotoner.

Radiobølgekilde kan være enhver elektrisk leder, hvori vekselstrøm bevæger sig. I praksis er kilden til en radiobølge en højfrekvent generator, hvis vibrationsenergi forplanter sig ud i rummet gennem en radioantenne. Den første driftskilde til radiovibrationer, opfundet af mennesket og brugt med indlysende og rationel succes, var Marconi (eller Popov) radiosender-radiomodtager, som bruger højfrekvensgenerator- en højspændingslagerenhed med et gnistgab forbundet til en antenne - en almindelig Hertz vibrator.

Popov-Marconi sender- og modtagerkredsløb

Egenskaber for udbredelse af elektromagnetiske bølger

Elektromagnetisk bølgeudbredelsesområde afhænger af oscillationsfrekvensen af ​​vekselstrøm ( elektromagnetisk svingning). Ved frekvenser fra enheder til tusinder af Hertz, svarende til lydbølgeområdet, forplanter en elektromagnetisk bølge skabt i rummet ved hjælp af induktans over en afstand, der ikke overstiger en til to snese meter, og derfor nyttig praktisk ansøgning har ikke. Ved frekvenser på hundreder af kilohertz og højere, som svarer til radiobølgeområder, kan en elektromagnetisk bølge forplante sig over tusindvis af kilometer.

Udbredelsesområdet for en elektromagnetisk bølge afhænger også af styrken af ​​strømmen, der strømmer gennem lederen. Som tidligere nævnt har en lavfrekvent elektromagnetisk bølge ingen nyttig praktisk anvendelse, men den har en skadelig effekt. Et eksempel på en skadelig påvirkning er påvirkningen af ​​en højspændingsledning (PTL) med en spænding på flere titusinder af volt på radioen fra en forbipasserende bil. Et kraftigt elektromagnetisk felt dannes omkring højspændingsledningerne, som i amplitude væsentligt overstiger de elektromagnetiske svingninger på fjerntliggende radiostationer, og i modtageren høres i stedet for radiostationen en lavfrekvent summen af ​​netspændingen. Et andet tilfælde er, når radiomodtageren er "jammet" i nærheden af ​​elledninger med en netspænding på kun 380 volt, men en strøm på over 100 ampere. I det første tilfælde har vi en høj spænding, og i det andet har vi en høj strøm. Fra en gymnasiebog i fysik vides det, at effekten af ​​den elektriske strøm i en leder er relateret til spænding og strøm gennem udtrykket Р=U*I. Med hvad mere kraft, jo længere udbredelsen af ​​det elektromagnetiske felt og, som en konsekvens heraf, den elektromagnetiske bølge genereret af det elektromagnetiske felt. Dette forklarer effekten af ​​effekt på udbredelsesområde.

Hvorfor kaldes den bølge, der bliver skrevet om her, elektromagnetisk? Fordi den består af en elektrisk og magnetisk sinusformet svingning. Disse to typer vibrationer er orienteret i rummet i forhold til hinanden vinkelret - nøjagtigt 90 grader.
Når den elektriske bølge er "horisontal" - orienteret parallelt med horisontlinjen, og den magnetiske bølge er tilsvarende "lodret" - orienteret vinkelret på horisontlinjen, så siges den elektromagnetiske bølge at have lineær vandret polarisering.

Når den elektriske bølge er "lodret" - orienteret vinkelret på horisontlinjen, og den magnetiske bølge er tilsvarende "horisontal" - orienteret parallelt med horisontlinjen, så siges den elektromagnetiske bølge at have lineær vertikal polarisering.

Hvis en elektrisk bølge (og derfor en magnetisk bølge) har en hældning i forhold til horisonten - en vinkel ikke lig med nul eller 90 grader, så siger de, at den elektromagnetiske bølge har lineær skrå polarisering.

Der er også en anden type polarisering, der bruges til at øge transmissions- (modtagelses)området og bedre støjimmunitet for radiomodtageudstyr - cirkulær polarisering- en type polarisering af en elektromagnetisk bølge, hvor radiobølgen i en periode med elektromagnetisk svingning foretager en fuld rotation på 360 grader. En type cirkulær polarisering er elliptisk polarisering— cirkulær polarisering "fladet ud" i et af flyene.

Alle disse typer af polarisering er bestemt af design og orientering af radioantennen.

Den praktiske betydning af polarisering ligger i, at hvis radiosenderen og radiomodtageren er indstillet til samme frekvens, men har forskellig polarisering, for eksempel, senderen har vertikal polarisering og modtageren har horisontal polarisering, så vil radiokommunikationen være dårlig ellers vil der slet ikke være nogen polarisering.

Et eksempel på brugen af ​​lyspolarisering som en type elektromagnetisk oscillation er 3D-biograf. Driftsprincippet for 3D-videobilledsystemer er baseret på følgende: Filmen optages ved hjælp af filmkameraer (videokameraer) adskilt i rummet, som to menneskelige øjne. Når den vises i en biograf, er to uafhængige projektorer dækket af polariserende filtre; nøjagtig de samme filtre i form af film er i biografgængernes briller. Højre projektor og seerens højre øje er dækket af et filter med vertikal polarisering, og venstre projektor og øje er dækket af et filter med vandret polarisering. Således ser højre øje billedet fra højre projektor og venstre øje fra venstre. Andre muligheder for at adskille lysbølger kan bruges som filtre, men det er ikke det artiklen handler om; polarisering af lys er en af ​​måderne at vælge elektromagnetiske bølger på.

Elektromagnetiske bølger (radiobølger) forplanter sig i forskellige medier med ved forskellige hastigheder. Hastigheden af ​​radiobølger i et vakuum er omtrent lig med lysets hastighed 300.000 km/sek. I luften rejser radiobølger med en lidt lavere hastighed, men ikke meget, så det samme tal accepteres - 300.000 km/sek. Da almindeligt vand er elektrisk ledende, er dets overflade en reflektor for radiobølger, og en del af energien fra radiobølger bruges på at opvarme vandets overfladelag. Et typisk eksempel på dette er en mikrobølgeovn, som opvarmer vandmolekylerne i den mad, der opvarmes. Metaller transmitterer ikke radiobølger og reflekterer al energien fra elektromagnetiske vibrationer.

Lige så vigtigt er radiobølgernes udbredelsesegenskaber afhængigt af deres bølgelængde. Lad mig minde dig om, at længden af ​​en elektromagnetisk bølge er relateret til frekvensen af ​​oscillationer gennem hastigheden af ​​dens udbredelse i et vakuum (lysets hastighed):

Hvor: f- frekvens, λ - bølgelængde, Med– lysets hastighed svarende til 300.000 km/sek.

Radiobølger er opdelt i flere områder:

Ekstra lang "SDV"– frekvens 3 – 30 kHz, med en bølgelængde på 100 – 10 km;

Langt "DV"– frekvens 30 – 300 kHz, med en bølgelængde på 10 – 1 km;

Medium "SV"– frekvens 300 – 3000 kHz, med en bølgelængde på 1000 – 100 meter;

Kort "HF"– frekvens 3 – 30 MHz, med en bølgelængde på 100 – 10 meter;

Ultrakort "VHF", herunder:

- meter "MV"– frekvens 30 – 300 MHz, med en bølgelængde på 10 – 1 meter;

- decimeter "DMV"– frekvens 300 – 3000 MHz, med en bølgelængde på 10 – 1 dm;

- centimeter "SMV"– frekvens 3 – 30 GHz, med en bølgelængde på 10 – 1 cm;

- millimeter "MMV"– frekvens 30 – 300 GHz, med en bølgelængde på 10 – 1 mm;

- submillimeter "SMMV"– frekvens 300 – 6000 GHz, med en bølgelængde på 1 – 0,05 mm;

Områderne fra decimeter til millimeterbølger kaldes ultrahøje frekvenser på grund af deres meget høje frekvenser. "Mikrobølgeovn".

Naturligvis kan alle de anførte radiobølgeområder, både indenlandske og borgerlige, opdeles i underbånd.

For at transmittere information skal en radiobølge moduleres med et signal, der indeholder information. Lange, mellemstore og korte bølger har normalt amplitudemodulation, som på engelsk lyder - amplitudemodulation "ER". Ultrakorte bølger har normalt frekvensmodulation, som lyder som på engelsk - frekvensmodulation, og blandt bourgeoisiet er de udpeget som - "FM"(ifølge vores "Verdens mesterskab").

Ud over at opdele radiobølger i områder, er det nødvendigt at tilføje, at afhængigt af radiobølgernes retning og udbredelsesveje, er de overfladisk(terrestrisk) (1) – udbreder sig langs jordens overflade fra radiosenderen til modtageren uden at bruge de øverste lag af atmosfæren og rumlige(2) – forplanter sig gennem de øverste lag af atmosfæren og med refleksion fra ionosfæren (3).

Der er et koncept om, at jo højere bølgelængden er (lavere frekvensen), jo bedre er den i stand til at bøje sig rundt om forhindringer. Og omvendt, jo kortere bølgelængden (højere frekvens), jo mere retlinet (bedre i en lige linje) forplanter radiobølgen sig.

Lange bølger er i stand til at forplante sig langs jordens og vandets overflade, men når knap nok ionosfæren. Denne ejendom bruges til at etablere kommunikation med med søfartøjer– kommunikation er tilgængelig næsten overalt i havet.

Mellembølger forplanter sig langs jordens og vandets overflade og reflekteres også af ionosfæren.

Korte bølger forplanter sig i "hop", der periodisk reflekteres fra ionosfæren og jordens overflade.

Ultrakorte bølger og mere høje frekvenser forplanter sig retlinet, som lys fra enhver lyskilde, de er ikke i stand til at bøje sig langs kloden, og ionosfæren er gennemsigtig for dem.

Et simpelt eksempel på brugen af ​​langbølgeområdet er radiokommunikation med ubåde. For ikke at blive bemærket af fjenden, når man kontakter flådekommandoen, kommer båden til overfladen i meget kort tid. Men hvis bølgerne plejede at kommunikere med en ubåd, der forplantede sig i "hop", så ville der ikke være kommunikation nogen steder i verden. Men i praksis, uanset hvor i verden båden dukker op, viser sammenhængen sig med det samme. Selvfølgelig i På det sidste Med udviklingen af ​​teknologien bruger ubåde forskellige rækkevidder, bl.a rumkommunikation(via kommunikationssatellitter) i mikrobølgeområdet.

Et eksempel på brugen af ​​radiobølger i VHF-, UHF- og UHF-området er pulseret radar, hvor egenskaben for retlinet udbredelse af radiobølger i disse områder bruges til nøjagtigt at bestemme de rumlige koordinater for fly, flokke af fugle og andre luftbårne objekter . Selv vejrrekognoscering udføres - niveauet og intensiteten af ​​skyer over lange afstande.

Fra den samme radiosendere enhed kan radiobølger, der reflekteres fra jordens overflade, mødes med ureflekterede bølger eller bølger, der reflekteres fra en anden del af jordens overflade, eller de øverste lag af atmosfæren. Hvad sker der i dette tilfælde i-fase tilføjelse af radiobølger, eller antifase subtraktion. Som et resultat dannes et robust mønster i rummets lodrette plan. cosecant strålingsmønster antenner. Under in-fase refleksion af radiobølger fra jordens overflade dannes zoner med maksimal refleksion i disse områder - Fresnel zoner. Hvis radiosenderen har en omnidirektionel antenne (for eksempel en pisk), vil Fresnel-zonerne bestå af mange ringe på jordens overflade med forskellige diametre, i hvis centrum antennen er placeret. Ringenes diameter kan være fra snesevis af meter til flere kilometer.

Til din lærdom: Før den militære aggression i Jugoslavien lagde amerikanerne stor vægt på antiradarmissiler som et middel til at ødelægge fjendens radarer. Et antiradarmissil har et målsøgningsradiohoved, der leder missilet mod et radarsignal. Men efter deres fredsbevarende operation for at gøre Jugoslavien til en marionetstat, begyndte de at genopruste med missiler med termiske målretningshoveder. Det viste sig, at målretningshovederne for antiradarmissiler var rettet mod Fresnel-zoner, som hele tiden ændrer sig for en roterende radar, som et resultat af, at missilcomputeren ikke korrekt bestemmer radarens koordinater, og i det bedste tilfælde faldt missilet ind i en af ​​Fresnel-zonerne. Ja, købt hos Sovjetunionen Tilbage i 80'erne forsynede en meterbølgeradar pålideligt det jugoslaviske luftforsvar med information om amerikanske flyvninger i mere end 50 dages krig. Med dens hjælp blev mere end ét mirakel-stealth-fly af Stars and Stripes skudt ned. Og på tv løj de som sædvanligt, at amerikanerne ikke led tab.

Forhindringer har en stærk indflydelse på udbredelsen af ​​radiobølger. Forhindringer har som regel en reflekterende egenskab. Forskellige genstande af både naturlig og kunstig oprindelse kan fungere som forhindringer. Som skrevet tidligere reflekteres radiobølger fra jordens overflade. Det er værd at bemærke, at hvis jorden er meget tør (for eksempel i ørkenen), så er refleksionen af ​​radiobølger meget værre, end når jorden er fugtig af regn. Kommunikationsafstanden for det samme kommunikationsudstyr til søs er således 50–70 procent større end på land. Træer og skyer reflekterer radiobølger. De anførte naturlige forhindringer er gode reflekser, fordi de indeholder vand. Kunstige forhindringer, der reflekterer radiobølger, omfatter forskellige metalstrukturer, herunder beslag af bygninger og strukturer.

Indflydelsen af ​​den anvendte antennetype på kvaliteten og retningen af ​​modtagelse (emission) af radiobølger

Hvor og hvordan radiobølgen vil forplante sig, bestemmes af størrelsen og formen af ​​radiobølgesenderantennen. Den enkleste radioantenne er Hertz vibrator. Dette er en elementær "kube", som er grundlaget for at bygge alle typer antenner.

En Hertz vibrator er to ledere, der divergerer i modsatte retninger fra "energiforbindelsespunktet". I sin kerne er det "udvidet" oscillerende kredsløb. For bedre udstråling af et radiosignal bør afstanden fra enden af ​​en leder til enden af ​​den anden være lig med halvdelen af ​​bølgelængden af ​​den udsendte (eller modtagne) elektromagnetiske svingning. Dette er nødvendigt, så der i enderne af vibratoren er en maksimal signalspændingspotentialforskel, og i midten af ​​vibratoren er der en maksimal strømamplitude. Sandt nok er det nødvendigt at bruge en afkortningskoefficient, der tager højde for udbredelseshastigheden elektrisk signal over overfladen af ​​lederne, som er meget mindre end i et vakuum. Afhængigt af frekvensen af ​​signalet og det metal, som vibratoren er lavet af, kan afkortningskoefficienten variere fra 0,65 til 0,85. Det vil sige, at vibratoren skal være lig med halvdelen af ​​bølgelængden ganget med afkortningsfaktoren.

For at reducere størrelsen af ​​antennen bruges nogle gange en vibrator med en længde svarende til en fjerdedel af bølgelængden. Andre forhold kan bruges, men samtidig ændres kvaliteten af ​​modtagelsen (transmissionen) og antennens retningsmæssige egenskaber.

Strålingsmønsteret af en halvbølgevibrator har formen rotationstoride- donut form. Hvis vibratoren er placeret vandret i forhold til jorden, så vil de maksimale modtagelses- (transmissions)zoner være på en linje vinkelret på vibratoren, og minimumsmodtagelseszonerne vil være på vibratorens endesider. Men husk på, at dette ikke tager højde for indflydelsen af ​​refleksion fra jorden. Hvis vi tager hensyn til indflydelsen af ​​refleksion fra jordens overflade, vil projektionen af ​​vibratorens antennestrålingsmønster (APP) blive lidt forlænget i retningerne af maksima.
Figuren viser en rotationstoroide og en projektion af antennestrålingsmønsteret på en vandret overflade under hensyntagen til jordens indflydelse.

- dette er en modificeret Hertz vibrator, hvor selve stiften bruges som en leder, og den anden modvægt er et stykke ledning, der hænger ned, en person, der holder en mobil walkie-talkie, eller jordens overflade. Strålingsmønsteret for en piskeantenne er det samme som en toroid placeret i et vandret område, kun på grund af refleksion fra jorden bliver toroid fladtrykt nedefra. Den maksimale modtagezone vil være i alle retninger, og det mindste modtageområde vil være over stiftvibratoren. Det mindste modtagelsesområde placeret over antennen kaldes - dødszone, eller død tragt.

Afhængig af forholdet mellem længden af ​​piskeantennen og bølgelængden ændres også antennens strålingsmønster i det lodrette plan. Figuren viser skematisk indflydelsen af ​​forholdet mellem stiftlængden og bølgelængden på dannelsen af ​​antennestrålingsmønsteret i det lodrette plan.

Husk den praktiske betydning af polarisering af elektromagnetiske bølger - hvis radiosenderen og radiomodtageren er indstillet til samme frekvens, men har forskellig polarisering, for eksempel har senderen vertikal polarisering, og modtageren har horisontal polarisering, så vil radiokommunikationen være dårlig . Til dette er det værd at tilføje strålingsmønsteret for piskeantennen, og derefter, ved hjælp af eksemplet med to radiotelefoner - bærbare radiostationer (1 og 2), vist i figuren nedenfor, kan en logisk konklusion drages:

Hvis radiosenderens og radiomodtagerens antenner er orienteret i rummet i forhold til horisonten på samme måde, og antennernes strålingsmønstre er rettet mod hinanden med deres maksima, så vil kommunikationen være den bedste. Hvis en af ​​de angivne betingelser ikke er opfyldt, så er der enten ingen forbindelse, eller også vil den være dårlig.

Radiokommunikationsområdet påvirkes også af en anden parameter - tykkelsen af ​​vibratorelementerne; jo større den er, jo større er antennen mere bredbånd– udvalget af godt modtagne frekvenser er bredere, men signalniveauet ved næsten alle frekvenser falder. Dette skyldes det faktum, at en dipolantenne er det samme oscillatoriske kredsløb, og når frekvensbåndet for resonansfrekvensresponsen udvides, falder resonansamplituden. Derfor skal du ikke blive overrasket over, at en tv-antenne er lavet af øl aluminium dåser i en by, hvor signalniveauet for et tv-tårn er højt, modtager det et tv-signal fra forskellige kanaler, der ikke er værre, og ofte bedre, end en kompleks professionel antenne.

Gode ​​professionelle radioantenner har følgende indikator: antenneforstærkning. Når alt kommer til alt, forstærker en almindelig halvbølgevibrator ikke signalet; dens handling er selektiv - ved en bestemt frekvens, i bestemte retninger og en vis polarisering. For at få mindre interferens i modtageren, øge transmissions- og modtagerækkevidden og samtidig indsnævre antennestrålingsmønsteret (fælles navn - bund), er en simpel halvbølgevibrator ikke egnet. Antennen bliver mere kompliceret.

Tidligere skrev jeg om indflydelsen af ​​forskellige forhindringer - deres reflekterende egenskab. Hvis størrelsen af ​​forhindringen ikke er sammenlignelig (en størrelsesorden mindre) med længden af ​​radiobølgen, så er dette ikke en hindring for radiosignalet, det påvirker det ikke på nogen måde. Hvis en forhindring er i et plan parallelt med den elektriske bølge og er længere end bølgelængden, så reflekterer den forhindring radiobølgen. Hvis længden af ​​forhindringen er et multiplum (lig med en fjerdedel, halvdelen eller hel) af bølgelængden, orienteret parallelt med den elektriske bølge og vinkelret på bølgens udbredelsesretning, så fungerer denne forhindring som et resonansoscillatorisk kredsløb ved hele bølgelængden eller dens harmoniske, og har de største reflekterende egenskaber.

Det er disse egenskaber beskrevet ovenfor, der bruges i komplekse antenner. Så en af ​​mulighederne for at forbedre antennens modtageegenskaber er at installere en ekstra reflektor(reflektor), hvis funktionsprincip er baseret på refleksion af en radiobølge og i-fase tilføjelse af to signaler - fra tv-centeret (TC) og fra reflektoren. Samtidig indsnævres og strækkes strålingsmønsteret. Figuren viser en antenne bestående af en sløjfe-halvbølgevibrator (1) og en reflektor (2). Vibratorlængde (A) af denne TV antenne vælges lig med halvdelen af ​​bølgelængden af ​​den gennemsnitlige tv-kanal, ganget med forkortningsfaktoren. Længden af ​​reflektoren (B) vælges lig med halvdelen af ​​bølgelængden af ​​den mindste tv-kanal (med maksimal længde bølger). Afstanden mellem vibratoren og reflektoren (C) vælges således, at det direkte og reflekterede signal tilføjes i fase - halvdelen af ​​bølgelængden.

Den næste måde at forbedre det modtagende signal yderligere ved at indsnævre og strække bunden er at tilføje en passiv vibrator - direktører. Driftsprincippet er stadig den samme i-fase addition. Samtidig indsnævres og strækkes strålingsmønsteret endnu mere. Billedet viser en antenne "bølgekanal", bestående af en reflektor (1), en sløjfe-halvbølgevibrator (2) og en direktør (3). Yderligere tilføjelse af instruktører indsnævrer og forlænger retningsmønsteret yderligere. Længden af ​​direktørerne (B) er valgt lidt mindre længde aktiv vibrator. For at øge antenneforstærkningen og dens bredbånd tilføjes direktører foran den aktive vibrator med et gradvist fald i deres længde. Bemærk, at længden af ​​den aktive vibrator er lig med halvdelen af ​​den gennemsnitlige bølgelængde af det modtagne signal, længden af ​​reflektoren er mere end halvdelen af ​​bølgelængden, og længden af ​​direktøren er mindre end halvdelen af ​​bølgelængden. Afstanden mellem elementerne er også valgt til at være omkring halvdelen af ​​bølgelængden.

I professionel teknologi bruges ofte en metode til at indsnævre bunden og øge antennens forstærkningsegenskaber - phased array antenne, hvor flere antenner er forbundet parallelt (for eksempel simple dipoler eller "bølgekanal"-antenner). Som et resultat tilføjes strømmene af tilstødende kanaler, og som et resultat stiger signaleffekten.

Ved ultrahøje frekvenser bruges en bølgeleder som en antennevibrator, og en massiv plade bruges som en reflektor, hvor alle punkter er lige langt fra vibratorens plan (i samme afstand) - revolutionens paraboloid, eller i almindelig sprogbrug - "plade". En sådan antenne har et meget smalt strålingsmønster og høj antenneforstærkning.

Konklusioner baseret på udbredelsen og kompleksiteten af ​​radiobølgedannelse

Hvordan og hvor radiobølger forplanter sig kan beregnes ved hjælp af smarte formler og transformationer kun for ideelle forhold– i mangel af naturlige forhindringer. For at gøre dette skal antenneelementer og forskellige overflader være helt flade. I praksis, på grund af påvirkningen af ​​mange brydnings- og refleksionsfaktorer, har ikke en eneste "videnskabelig hjerne" endnu været i stand til med høj pålidelighed at beregne udbredelsen af ​​radiobølger under naturlige forhold. Der er områder med pålidelig modtagelse og zoner med radioskygge - hvor der slet ikke er nogen modtagelse. Kun i filmene besvarer klatrere ikke opkald via radio, fordi deres hænder har travlt, eller de selv har travlt med at "redde verden"; faktisk er radiokommunikation ikke en stabil forretning, og oftere end ikke svarer klatrere ikke, fordi der er simpelthen ingen forbindelse - der er ingen passage af radiobølger. Det var radiokommunikationens afhængighed af naturlige fænomener (regn, lave skyer, fortærnet atmosfære osv.), der førte til fremkomsten af ​​konceptet "radioamatør". Dette er nu konceptet for en "radioamatør" - en person, der kan lide at lodde radiokredsløb. For omkring tyve år siden var det en "kortbølgesignalmand", der ved hjælp af en laveffektstransceiver lavet af ham selv kommunikerede med en anden radioamatør (eller med andre ord en radiokorrespondent) placeret på den anden side af Jorden, som han modtog "bonusser" for. Før i tiden var der endda radiokonkurrencer. I dag udføres de også, men med udviklingen af ​​teknologien er dette blevet mindre relevant. Blandt disse amatørradiosignalmænd er der mange, der er utilfredse med, at almindelige "payals", der ikke sidder med høretelefoner på jagt efter radiokorrespondenter til at organisere radioudvekslinger, kalder sig selv radioamatører.