Радио

Радио. История развития и применение. В данный момент радио (от лат. radio — излучаю, испускаю лучи, radius — луч) является одним из самых распространенных видов передачи и получения информации. В основе этого способа лежит передача радиоволн, о которых хотелось бы р ассказать поподробнее. Радиов о лны электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6 Ч 10 12 гц ). Они имеют м ногообразное применение: радиовещание , радиотелефонная связь , телевидение , радиолокация , радиометеорология и др. Во вс ех перечисленных случаях радиоволны являются средством передачи на ра сстояние без проводов той или иной информации: речи, телеграфных сигнало в, изображения. Радиоволны используются для определения направления и р асстояния до различных объектов, для получения сведений о строении верх них слоев атмосферы, Солнца, планет и тому подобное. Табл . 1 . Деление диапазона радиоволн на поддиапазоны Название поддиапазона Длина волны, м Частота колебаний, гц Сверхдлинные волны Длинные волны Средние волны Короткие волны Метровые волны Дециметровые волны Сантиметровые волны Миллиметровые волны Субмиллиметровые волны более 10 4 м 10 4 — 10 3 м 10 3 — 10 2 м 10 2 — 10 м 10— 1 м 1— 0,1 м 0,1— 0,01 м 0,01— 0,001 10 +3 — 5 Ч +5 менее 3 Ч 4 3 Ч 4 — 3 Ч 5 3 Ч 5 — 3 Ч 6 3 Ч 6 — 3 Ч 7 3 Ч 7 — 3 Ч 8 3 Ч 8 — 3 Ч 10 3 Ч 10 — 3 Ч 11 3 Ч 11 — 6 Ч 12 Таблиц а 2 Диапазон радиочастот наименование диапазона Границы диапаз онов основной термин параллельный термин 1-й диапа зон 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 0,3— 3 Мгц 3— 30 Мгц 30— 300 Мгц 0,3— 3 Ггц 3— 30 Ггц 30— 300 Ггц 0,3— 3 Тгц Диапазон радиоволн наименование диапазона Границы диапаз онов основной термин параллельный термин 1-й диапазон 2-й диапазон 3-й диапазон 4-й диапазон 5-й диапазон 6-й диапазон 7-й диапазон 8-й диапазон 9-й диапазон 10-й диапазон 11-й диапазон 12-й диапазон Декамегаметровые Мегаметровые Гектокилометровые Мириаметровые Километровые Гектометровые Декаметровые Метровые Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые 100— 10 мм 10— 1 мм 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 Примечание. Диапазоны радиочастот включа ют наибольшую частоту и исключают наименьшую. Диапазоны радиоволн вклю чают наименьшую длину и исключают наибольшую. Первым опыты передачи сигналов при по мощи радиоволн осуществлял Поп о в Алексан др Степанович (р одился 4(16).3.1859, поселок Турьинские Рудники , ныне Кр аснотурьинск Свердловской области , умер 31.12.1905(13.1.1906) в Петербурге ), русский физик и электротехник , изобретатель электрической связи без проводов (радиосвязи , радио ). В 1882 о к ончил ф изико-математический факультет Петербургского универс итета и был оставлен в нём для подгот овки к научной деятельности . Преподаватель фи зики и электротехники Минного офицерского кла сса (1883 — 1901) и Технического училища Морского ведомства в Кронштад т е (1890 — 1900); проф ессор физики (с 1901) и директор (с 1905) Петербург ского электротехнического института . Почётный инж енер-электрик (1900) и почётный член Русского техни ческого общества (1901). Первые научные исследования Попов а были посвящены анализу наивыгоднейшего действия динамоэлектрически х машины (1883) и индукционным весам Юза (1884). После опубликовани я (1888) работ Г. Герца по электродинамике Поп ов стал изучать электромагнитные явления и прочитал серию публичных ле кций на тему «Новейшие исследования о соотношении между световыми и эле ктрическим явлениями». Пытаясь найти способ эффективной демонстрации опытов Герца перед большой аудиторией, Попов занялся конструированием более наглядного индикатора электромагнитных волн (ЭВ), излучаемых Герца вибратором . Хорошо понимая потребность флота в средствах беспроводной сигнал изации, он в начале 90-х гг. поставил перед собой также задачу использовать ЭВ для сигнализации. Поиски решения этих задач проходили в два этапа: оты скание достаточно чувствительного индикатора ЭВ; разработка прибора, с пособного надёжно регистрировать ЭВ, излучаемые вибратором Герца. В кач естве индикатора Попов выбрал радиокондуктор, предложенный французски м физиком Э. Бранли и названный позже когерером. Когерер представлял соб ой заполненную металлическими опилками небольшую стеклянную трубку с двумя электродами на концах. Под действием ЭВ электрическое сопротивле ние опилок резко уменьшалось, и когерер терял чувствительность, но при л ёгком встряхивании она снова восстанавливалась. В результате кропотли вых экспериментов с когерером Попов сделал его достаточно чувствитель ным и удобным индикатором ЭВ. 2-й этап завершился в начале 1895 созданием «при бора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний» — ра диоприёмника ( рис. ). Он состоял из соединённы х последовательно когерера, поляризованного реле, замыкающего цепь эле ктрического звонка, и источника постоянного тока — электрической бата реи. При уменьшении сопротивления когерера (под действием ЭВ) реле сраба тывало и включало электрический звонок. Его молоточек сначала ударял по колокольчику, а затем по когереру, встряхивая его и тем самым возвращая в чувствительное состояние. Таким образом, тотчас после приёма одной посы лки ЭВ когерер был готов к приёму следующей. К весне 1895 Попов построил чувстви тельный и надёжно работавший приёмник, пригодный для беспроводной сигн ализации (радиосвязи). В качестве передатчика Попов применил видоизменё нный вибратор Герца, возбуждаемый катушкой Румкорфа. К концам стержней в ибратора Попов прикрепил квадратные металлические листы размером 40 ґ 40 см. Сигнализация производилась замыкателем (ключом) в цепи питания катушки Румкорфа. В пе рвых опытах по радиосвязи, проведённых в физическом кабинете, а затем в с аду Минного офицерского класса, приёмник обнаруживал излучение радиос игналов, посылаемых передатчиком, на расстоянии до 60 м. При проведении опытов Попов заметил, что подсоединение к коге реру вертикального металлического провода (антенны) приводило к увелич ению расстояния уверенного приёма. 25 апреля (7 мая) 1895 на заседании физическ ого отделения Русского физико-химического общества Попов сделал научн ый доклад об изобретении им системы связи без проводов и продемонстриро вал её работу; о содержании доклада Попова напечатано в газете «Кронштад тский вестник» от 30 апреля (12 мая) 1895 и в «Журнале Русского физико-химическог о общества», 1895, т. 27, в. 8. Во время опытов в 1895 Попов обнаружил, что его приёмник реаги рует также и на грозовые разряды. Поэтому Попов построил специальный при бор, записывающий на движущуюся бумажную ленту сигналы, вызванные элект ромагнитным излучением гроз. Этот прибор, названный впоследствии грозо отметчиком, в 1895— 96 использовался им для изучения характера атмосферных помех. Приёмник Попова ( рис. ) и грозоотметчик Попова хранятся в Центральном музее связи в Ленинграде. В 1895— 96 Попов занимался усовершенствованием созданных им приборов, выст упал с докладами и показом их работы. Весной 1897 в опытах в Кронштадтской га вани Попов достиг дальности радиосвязи 600 м, а летом 1897 при испытании на кораблях — 5 км. В это время он обнаружил, что металлические корабли влияют на распространени е ЭВ и предложил способ определения направления на работающий передатч ик. Во время опытов в 1897 Попов пользовался ЭВ, лежащими на границе дециметр ового и метрового диапазонов. К этому же времени относятся работы Попова по изучению ре нтгеновских лучей; им сделаны первые в России рентгеновские снимки пред метов и конечностей человека. В 1899 П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий — помощники Попова — обнаружили детектор ный эффект когерера. На основе этого эффекта Попов построил «телефонный приёмник депеш» для слухового приёма радиосигналов (на головные телефо ны) и запатентовал его (Русская привилегия № 6066 от 1901). Приёмники этого типа в ыпускались в 1899— 1904 в России и во Франции (фирма «Дюкрете») и широко использ овались для радиосвязи. В начале 1900 приборы Попова были применены для свя зи во время работ по ликвидации аварии броненосца «Генерал-адмирал Апра ксин» у острова Гогланд и при спасении рыбаков, унесённых на льдине в мор е. При этом дальность связи достигла 45 км. В 1901 П опов в реальных корабельных условиях получил дальность связи 148— 150 км. Работы Попова получили высокую оценку уже его современников в России и за рубежом: так, приёмник Попова был удостоен Большой золотой медали на В семирной выставке 1900 в Париже. Особым признанием заслуг Попова явилось по становление Совета Министров СССР, принятое в 1945, которым установлен День радио (7 мая) и учреждена золотая медаль имени А. С. Попова, присуждаемая АН СССР за выдающиеся работы и изобретения в области радио. Дальнейшее раз витие радиотехники привело к испол ьзованию более широкого спектра электромагнитных волн. Нижняя граница спектра радиоволн, излучаемых радиопередающими устройствами, порядка 10 3 — 10 4 гц. РАДИОВОЛНЫ. В природе су ществует много естественных источников радиоволн: звёзды, в том числе Солнце , галактики , метагалактики , план еты. Исследование радиоволн от внеземных источников позволило расшири ть наши представления о Вселенной. Некоторые процессы, происходящие в земной атмосфере, также сопровождаю тся генерацией радиоволн. Например, радиоволны возникают при разряде мо лний, при возбуждении колебаний в и оносферной плазме. При этих процессах возбуждаются радиоволны и более н изких частот (вплоть до долей герца). Радиоволны различных частот по- разному распространяются в пределах Земли и в космическом пространств е и в связи с этим находят различное применение в радиосвязи и в научных и сследованиях. Радиоволны , излучаемые перед атчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по п рямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаяс ь от ионосферы, и т.д. Способы распространения радиоволн существенно зав исят от длины волны l , от освещ ённости земной атмосферы Солнцем и от ряда других факторов (смотри ниже). Прямые волны. В однородных ср едах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью , подобно световым лучам (радиолучи). Такое распространение радиоволн на зывается свободным. Условия распространения радиоволн в космическом п ространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объе ктом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наб людениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолёт ами близки к свободному. Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской. Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 , что приводит к ограничению рас стояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Скорост ь распространения радиоволн в свободном пространстве равна скорости с вета в вакууме: с = 300 000 км / сек. При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмо сфере, в толще Земли, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрическ ого поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость п оля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на элект рон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сд виг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению ф азовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами явля ются причиной поглощения радиоволн. Коэффициент поглощения b = 2 p c / l , фазовая скорость u = c / n . В этом случае r д определяется не только характеристиками передатчика, приёмн ика и длиной волны, но и свойствами среды ( e , s ). В земных условиях Р. р. обычно отличается от свободного. На Р. р. оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфер а, структура ионосферы и т.д. Влияние тех или иных факторов зависит от дли ны волны. Вли яние поверхности Земли на распространение радиоволн зави сит от расположения радиотрассы относительно её поверхности. Распространение радиоволн — пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом про цессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей фо рму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник ( рис. ). Чем меньше l , тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую л инию (световой луч). Если высоты Z 1 и Z 2 , на которых располож ены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, ве лики по сравнению с l , то эллипсоид не касает ся поверхности Земли ( рис. а). Поверхность Зе мли не оказывает в этом случае влияния на распространение радиоволн (сво бодное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли ( рис. б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, нало жится поле отражённой волны. Если при Z 1 >> l и Z 2 >> l , то это поле можно рассматривать к ак луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптик и. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённог о лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестк овую структуру поля ( рис. ). Условие Z 1 и Z 2 >> l практически может выполняться только для метровых и более коротких вол н, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких во лн (УКВ). При увеличении l сущес твенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случ ае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции п рямой и отражённой волн. Влияние Земли на распространение радиоволн в эт ом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значитель ной электропроводностью, поэтому распространение радиоволн вдоль пове рхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери эне ргии в земле увеличиваются с уменьшением l . Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейн о-поляризованную волну, у которой напряжённ ость электрического поля Е перпендикулярн а поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна стано вится эллиптически поляризованной ( рис. ). Ве личина горизонтальной компоненты E x значительно меньше вертикальной E z и убывает с увеличением проводимости s земной поверхности. Возникновение горизонтальной компонент ы позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, ра сположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально поляризованную волну ( Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет пол е тем больше, чем больше s , и создаёт вертикал ьную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального изл учателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтально й. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняетс я с расстоянием, однако уже на расстоянии ~ нескольких l от излучателя она становится равной скорости света, незав исимо от электрических свойств почвы. Выпуклость Земли является своеобр азным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Зем лю и проникают в «область тени». Так как дифракция волн заметно проявляе тся тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше l , а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h ( р ис. ), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то усл овие h << l выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением l увеличиваются потери энерг ии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны мог ут проникать глубоко в область тени. Высота шарового сегмента h для различных расстояний между п ередатчиком и приёмником Расстояни е, км 1 5 10 50 100 500 1000 5000 h, м 0,03 0,78 3,1 78 310 7800 3,1 ґ 10 4 3,75 ґ 10 4 Земная поверхнос ть неоднородна, наиболее существенное влияние на распространение ради оволн оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. п роходит над сушей, а затем над морем ( s ® Ґ ) , то при пересечении береговой линии резко изменится напр яжённость поля ( рис. ), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако берег овая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшаю щимся по мере удаления от береговой линии. Рельеф земной поверхности также влияет на распространение радиоволн. Это влияние зависит от соотношени я между высотой неровностей поверхности h , го ризонтальной протяжённостью l , l и углом падения q волны на поверхность ( рис. ). Если выполняются услов ия: 4 p 2 l 2 sin 2 q / l 2 Ј 1; 2 p sin q << 1, (2) то неровности считаются малыми и пол огими. В этом случае они мало влияют на распространение радиоволн. При ув еличении q условия могут нарушаться. При эт ом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отраж ённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения). Высокие холмы, горы и т.п., кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилен ию волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли во лн ( рис. ). Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере . Пр оводимость тропосферы s для частот, соответ ствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически р авна 0; диэлектрическая проницаемость e и, сл едовательно, показатель преломления n являю тся функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n » 1,0003. Изменение e и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно e и n уменьшаются, а фазов ая скорость u растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис. ). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волн а, фронт которой совпадает с прямой ав ( рис. ), то вследствие того, что в верхних слоях тропо сферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч иск ривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолу чи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует распространению радиоволн за пределы прямой видимости, т.к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Од нако практически этот эффект может играть роль только для УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Мет еорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сра внению с нормальной. Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении н агретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с выс отой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом пре ломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под неболь шим углом к горизонту волна на некоторой высоте изменит направление на о братное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а с верху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Та к же как в металлических радиоволноводах (устройство для проведения особых частот волн, о котором сказано ниже), в тропосферны х волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критич еской ( l кр » 0,085 d 3 / 2 , d — высота волновода в м , l кр в см ). Толщина слоев инвер сии в тропосфере обычно не превышает ~ 50— 100 м , поэтому волноводным способом могут распр остраняться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны. Рассеяние на флуктуациях e . По мимо регулярных изменений e с высотой, в троп осфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e , возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Область пр остранства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и переда ющей антенн и содержащая большое число неоднородностей e , является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флук туациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на ра сстояния, значительно превышающие прямую видимость ( рис. ). При этом поле в точке приёма В о бразуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие инте рференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изме нения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигна ла значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена н ормальной тропосферной рефракцией. Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех ради оволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметно е ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах во ды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и ра ссеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональн а частоте, поэтому значительные токи, а, следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких в олн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источникам и вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотно сть потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l 4 , если размер рассеивающей частицы d < l , и не зависит от l , если d >> l . Практически через о бласть сильного дождя или тумана волны с l < 3 см распростран яться не могут. Волны короче 1,5 см , помимо этог о, испытывают резонансное поглощение в водяных парах ( l = 1,5 см ; 1,35 см ; 0,75 см ; 0,5 см ; 0,25 см ) и кисл ороде ( l = 0,5 см и 0,25 см ). Энергия распространяющейся волны расхо дуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Межд у резонансными линиями имеются области малого поглощения. Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере — многокомпонентной плазме , находящейся в магнитном поле Земли, механизм распространения радиоволн сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как в ынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллектив ных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от часто ты радиоволны w основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для р азличных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в распространении радиоволн принимают участие только электр оны частота колебаний, которых (Ленгмюровская частота) равна: где е — заряд , m — масса , N — концентрация электронов . Вынужд енные колебания свободных электронов ионосферы , в отличие от электронов тропосфе ры , тесно связанных с атомами , отстают от э лектрического поля высокочастотной волны по ф азе почти на 2 p . Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере ( рис. ). Поэтому д иэлектрическая проницаемость e , равная отношению напряжённости внешнего п оля к напряжённости поля внутри среды , оказывается для ионосферы < 1 : e = 1 — w 2 0 / w 2 . Учёт столкновений электрон ов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы : где n — число столкновений в секунду. Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей част и ионосферы справедливо соотношение: w 2 >> n 2 и показатели преломления n и поглощения c равны: С увеличением частоты c уменьшается , а n растет , приближаясь к 1. Т . к . n < 1, фазовая с корость распространения волны Скорость распр остранения энергии ( групповая скорость волны ) в ио носфере равна с Ч n и в соответствии с теорией относи тельности меньше с. Отражение радиоволн. Для волны, у которой w < w 0 n и u становятся м нимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространять ся в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота w 0 в ионосфере увеличиваются с высотой ( рис. ), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до таког о уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой в ысоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличение м частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимал ьная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальн ом падении, называется критической частотой слоя. Критическая частота слоя F 2 (главный максимум , рис. ) из меняется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц . Дл я волн с частотой w > w кр n всюду > 0, т . е . волна проходит через слой , не отражаясь. При наклонном падении волны на и оносферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывае тся выше w кр . Радиоволна, пада ющая на ионосферу под углом j 0 , испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где j ( z ) = p /2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n ( z ) = sin j 0 . Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: w накл = w верт sec j 0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. дл я данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ ). Двойное лучепреломление. Существ енное влияние на распространение радиоволн оказывает магнитное поле З емли H 0 = 0,5 э, пронизывающее ионо сферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизо тропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление , т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлен ием распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H 0 на электрон, движу щийся со скоростью u , действует сила Лоренца под действием которой электрон вр ащается вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяе тся характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны. По мере распространения радиоволн в ионосфере из-за разли чия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего по ляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляри зация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается. В общем случае поляри зация обеих волн эллиптическая. Рассеяние радиоволн. Помимо регул ярной зависимости электронной концентрации N от высоты, в ионосфере постоянно происходят случайные измен ения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородн ых образований различного размера, которые находятся в постоянном движ ении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точк у приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассе янных волн ( рис. ), сложение которых п риводит к замираниям — хаотическим изменениям сигнала. Существование неоднородных образований приводит к возм ожности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно пре вышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Анал огично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловлив ает дальнее распространение радиоволн. (метрового диапазона). Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторж ении в неё метеоритов . Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружаю щую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследств ие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы созд аются в интервале высот 80— 120 км , длительност ь их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Р адиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность это го процесса зависит от массы метеорита. Особенности распространения ра диоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота к оторых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосфе ру. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для да льней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ог раничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осущест вляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощени е) в диапазоне средних волн. Дальность распространения радиоволн при одн ом отражении от ионосферы ~ 3500— 4000 км , т.к. угол п адения j на ионосферу из-за выпуклости Земл и ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли ( рис. ). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы ( рис. ). Длинные и сверхдлинные волны практ ически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой во лновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земл и, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в прот иволежащей точке (эффект антипода, рис. ). Радиоволны звуковых частот могу т просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Зе мли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расс тояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряж ённую точку, расположенную в др. полушарии ( рис. ). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распр остраняясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с х арактерным свистом. Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых мень ше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая н ейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики . Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводяще го вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновени ем сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между мех аническими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых лин ий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, котор ые распространяются вдоль магнитных силовых линий. Космическая радиосвязь. Когд а один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригод ных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохожден ия через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5— 30 Мгц ), не проходят через ионосферу, а волны с частото й > 6— 10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однак о и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиовол н. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при п риёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с росто м частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь ( рис. ). Эти условия определяют диа пазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников. Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитыват ь поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 ко смическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное зна чение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наиб ольшую ёмкость каналов связи. Сведения о процессах распространения рад иоволн в космическом пространстве даёт радиоастрономия . Подземн ая и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды мо рей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры s » 10 — 3 — 10 — 2 ом — 1 м — 1 . В этих среда х волна практически затухает на расстоянии Ј l . Кроме того, для сред с большой s коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи испол ьзуются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряд у со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона. В системах связи между подземными и ли подводными пунктами может быть использовано частичное распростране ние вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до повер хности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой , распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подзем ной приёмной антенной ( рис. ). Глубина погруже ния антенн достигает десятков м. Системы это го типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи между подземными пункта ми управления при запуске ракет. Системы другого типа используют подзем ные волноводы — слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, сле довательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль , поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность распространения ради оволн до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пор од (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость ( рис. ). На глуби не 3— 7 км s может уменьшиться до 10 — 11 ом — 1 м — 1 . При дальне йшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся и онизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образует ся подземный волновод толщиной в несколько км , в котором возможно распространения ра диоволн на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи — расчёт излучени я и передачи энергии от антенн , расположенных в проводящей среде. Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разру шений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действи ю верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов. С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения в есь диапазон радиоволн принято делить на ряд поддиапазонов: сверхдлинные волны , длинные волны , средние волны , короткие волны , метровые волны , дециметровые волны , сантиметровые волны , миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл . 1). Деление радиоволн на диапазоны в радиосвязи установлено международн ым регламентом радиосвязи (табл . 2). Наука, изучающая радио и радиоволны называется Радиоф и зикой , обла сть физики, в которой изучаются физические процессы, связанные с электро магнитными колебаниями и волнами радиодиапазона: их возбуждение, распр остранение, приём и преобразование частоты, а также возникающие при этом взаимодействия электрических и магнитных полей с зарядами в вакууме и в еществе. Радиофизика сформировалась в 20— 30-е гг. 20 в, объединив разделы физ ики, развитые применительно к изучению задач радиотехники и электроники . Одним из направлений её исследований является изучение и распространение радиоволн. Теоретические и экспери ментальные исследования излучения различных типов антенн , их электроди намический расчёт, а также изучение распространения радиоволн в различ ных направляющих и таких приборов как, например, радиоволновод. Радиоволнов о д , диэлектрический к анал (направляющая система) для распространения радиоволн . Боковая поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая e или магнитная m проницаемости и электропроводность s . Боковая поверхность может иметь произвольную форму, но наиболее широко применяются цилиндрические радиоволноводы, в частн ости цилиндрические металлические полости, заполненные воздухом или к аким-либо газом. Поперечное сечение металлического радиоволновода быв ает прямоугольным, круглым, П- и Н-образным и т.п. Обычно к радиоволноводам относят только каналы с односвязным сечением; распространение радиово лн в каналах с дву- и многосвязными сечениями рассматривается в теории длинных линий . Можно показать, что внутри радиоволновод вд оль его оси распространяется волновое поле, которое является результат ом многократного отражения волн от внутренних стенок радиоволновода и интерференции отражённых волн. Это определяет главную особенность рад иоволновода, которая состоит в том, что распространение волн в них возмо жно только в том случае, если поперечные размеры радиоволновода сравним ы с длиной волны l или больше l . Например, для l = 30 см больший размер а сечения прямоугольного Р. около 20 — 25 см. Это обусловливает применени е Р. главным образом в области сверхвысоких частот . Радиоволноводы служат направляющими системами в радиол окационных и др. станциях для передачи энергии от передатчика в передающ ую антенну , от приёмной антенны к радиоприёмнику . Направляющая система на СВЧ имеет вид волноводного тракта, состоящ его из отрезков радиоволновода, различных по форме и размерам поперечны х сечений; угловых изгибов; вращающихся соединений и многих др. волновод ных узлов ( рис. ). Для сочленения радиоволново дов разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переход ы с переменным сечением (например, рупорный переход 2, рис. ). Основным преимуществом металлич еских радиоволновода по сравнению с двухпроводной симметричной и коак сиальной линиями является минимум потерь на СВЧ; это обусловлено практи ческим отсутствием излучения энергии в окружающее пространство и тем, ч то при одинаковых внешних размерах радиоволновода и, например, двухпров одной линии поверхность радиоволновода, по которой текут электрически е токи (при распространении волны), всегда больше, чем поверхность провод ников двухпроводной линии. Так как глубина проникновения токов определ яется скин-эффектом , то плотности т оков, а, следовательно, и потери на джоулево тепло в радиоволноводе меньш е, чем в линии. Недостатки радиоволновода: наличие нижнего предела пропу скаемых частот; громоздкость конструкции на дециметровых и более длинн ых волнах; необходимость большой точности изготовления и специальной о бработки внутренней поверхности стенок; сложность монтажа. Исследования в области замедляющих систем играют важную роль в создании систем радиосвязи , передаю щих и приёмных устройств и др. При изучении распространения радиоволн над поверхностью земли и под нею с учётом конкретных условий, св язанных с непостоянством геофизических и космических факторов, радиоф изика соприкасается с геофизикой . Исследование особенностей распространения радиово лн на земных и космических радиотрассах возможно лишь на основе система тического накопления сведений о свойствах тропосферы , ионосферы , приземно го и межпланетного космического пространства и их изменчивости во врем ени. С другой стороны, многие свойства геофизических объектов изучаются в основном радиофизическими методами, то есть по наблюдениям за особенн остями протекания волновых и колебательных процессов в радиодиапазоне . Развитие радиофизики сопровождает ся открытием новых явлений, находящих практическое применение и состав ляющих основу новых направлений (например, квантовая электроника). Некот орые разделы радиофизики выделяются в самостоятельные области физики ( радиоастрономия , радиоспектроскопия , радиометеорология и др.), где м етоды радиофизики служат лишь средством изучения явлений, лежащих за пр еделами радиофизики. Особую роль сыграло проникновение методов радиоф изики в оптику. О некото рых науках вылившихся из радиофизики я хо тела бы рассказать поподробнее. Радиометеорол о гия, наука, в которой изу чается, с одной стороны, влияние метеорологических условий в тропосфере и стратосфере на распространение радиоволн (главным образом УКВ), с друг ой — метеорологические явления в тропосфере и стратосфере по характер истикам принимаемых радиосигналов, в том числе собственного излучения атмосферы, как теплового, так и обусловленного электрическим разрядами. Первые радиометеорологические наблюдения проводились А. С. Поповым с по мощью созданного им грозоотметчика. Атмосф е рики , электрические сигналы, создаваемые радиоволнами, излучае мыми разрядами молний. Вблизи земной поверхности происходит около 100 раз рядов молний в 1 сек. Поэтому в любой точке зем ного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики. Пр и радиоприёме на слух атмосферики воспринимаются как шорохи или характ ерные свисты, создающие атмосферные помехи радиоприёму . Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основн ой разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн. Ос новной разряд излучает сверхдлинные волны , а предразряд — длинные волны , средние волны и даже короткие волны . Максимум энергии атмосферика лежит в области частот порядка 4— 8 Кгц. Если атмосферики создаются местн ыми грозами, то их спектр определяется только спектром излучения грозов ого разряда. Если же источник — удалённая гроза, то спектр определяется также и условиями распространения радиоволн о т очага грозы до радиоприёмного устройства. Некоторые атмосферики воспринимаются на слух как сигнал ы, частота которых непрерывно уменьшается. Такие атмосферики называютс я свистящими. Их особенность связана с механизмом распространения свер хдлинных волн. При распространении таких волн в волноводе , образованном нижней границей ионосферы и поверхност ью Земли, происходит частичное «просачивание» их через ионосферу. Просо чившиеся волны, распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля Зе мли, удаляются от поверхности Земли на десятки тыс. км и затем снова возвращаются к Земле. Скорость их распространен ия зависит от частоты, высокочастотные составляющие сигнала распростр аняются с большей скоростью и приходят раньше. Это и приводит к возникно вению на выходе приёмного устройства характерного свиста, высота тона к оторого непрерывно меняется. Исследования атмосфериков дают сведения о механизме рас пространения сверхдлинных волн, а также о свойствах самых нижних и очень высоких областей ионосферы, в которых распространяются атмосферики. Дл я расчётов линий радиосвязи построены с пециальные карты и номограммы, по которым можно определить уровень атмо сфериков в каждой точке Земли. Атмосферики со здаются не только разрядами при грозе, но и в конвективных облаках, пыльн ых и снежных бурях, областях высокой запылённости и др. Наблюдения за ним и позволяют определять глобальное распределение грозовой активности, а также местоположение интенсивных фронтов атмосферных . В 20-х — начал е 30-х г. г. 20 в. установлено преобладающее влияние метеорологических процес сов на распространение УКВ. Распространение радиоволн в атмосфере сопровождается их преломление м, поглощением, отражением и рассеянием. Интенсивность этих явлений опре деляется свойствами пространственного распределения показателя прел омления n воздуха, являющегося функ цией давления, температуры и влажности, а также наличием и свойствами ги дрометеоров (продукты конденсации влаги в атмосфере — капли дождя, тума на, облаков) и различных примесей. Соответственно радиосигналы могут сод ержать информацию о распределении плотности, температуры и влажности в оздуха, поле ветра и турбулентности, водности облаков, интенсивности оса дков и др. При распространении радиоволны ослабляются из-за потери элект ромагнитной энергии, которая поглощается и рассеивается молекулами ки слорода O 2 и водяного пара, гидромет еорами, частицами аэрозоля и др. неоднородностями. В атмосферных газах о слабление наиболее существенно на волнах 0,25 и 0,5 см для 02 и 0,18 и 1,35 см для вод яного пара, где имеет место резонансное поглощение. Суммарное поглощени е атмосферными газами и его сезонная изменчивость определяются климат ическими особенностями каждого географического района. В мелкокапельн ых облаках коэффициент ослабления пропорционален их водности. В осадка х наряду с поглощением существенно рассеяние радиоволн, поэтому зависи мость ослабления от их водности или интенсивности сложнее. В кристаллич еских облаках и осадках ослабление существенно меньше, чем в капельножи дких. Среди методов исследования атм осферы, использующих распространение радиоволн, наибольшее практическ ое значение получили радиолокационные. Измерения теплового излучения атмосферы, подстилающей поверхности и внеземных источников на сантиме тровых и более коротких волнах в области интенсивных полос поглощения а тмосферными газами используются для определения профилей плотности, в лажности и температуры, а также оценки общего влагосодержания в атмосфе ре. На метеорологических ИСЗ применяют сканирующие радиометры сантиме трового и миллиметрового диапазонов для получения изображений облаков и осадков. Из всего этого мы можем сделать вывод, что радио – одно из самых великих и зобретений человека. Оно используется людьми уже более ста лет. И, скорее всего, будет использоваться ещё многие годы. Литература. 1. Большая Советская Энциклопедия. М ., 1976 г. 2. История развития радио. Под ред. См ирнова И. А., М., Молодая гвардия, 1982 г. 3. Связь без проводов. Истомин С.В. М. Мо сковский рабочий, 1990 г.