Радиоволны. Виды и применение. Свойства и особенности

Радиоволны. Виды и применение. Свойства и особенности

Всем, кому приходилось настраивать приемник на нужную станцию, следует знать, что таким образом они плавно воздействуют на принимаемые радиоволны. Того же эффекта, но только скачкообразного, удается достичь при переключении диапазонов принимаемых станций, обозначаемых как «FM», «УКВ», «ДВ» или «СВ». И в том и другом случае пользователь меняет частоту колебаний, относящихся к радиоволновой части спектра э/м поля.

Графическое представление

Радиоволны – это э/м колебания в выделенном частотном диапазоне, простирающемся от сотен килогерц до единиц ТГц. Для правильной оценки этих показателей в первую очередь потребуется усвоить следующие моменты:

Radiovolny 2

  • Длиной волны (λ) называется кратчайшее расстояние между точками синусоидального колебания, имеющими одну и ту же фазу.
  • Амплитуда радиоволны (a)– это максимальное отклонение синусоиды от среднего положения.
  • Ее периодом (Т) называется время, за которое совершается полный колебательный цикл.

На основе этих данных частота радиоволны (ν) вычисляется как количество полных периодов за одну секунду.

При описании этих колебаний часто используется формула, позволяющая вычислить длину волны по известному значению частоты:

λ = c/ν

где c — это скорость света в вакууме.

Классификация радиоволн по их частоте (периоду колебаний)

По своим частотным показателям, непосредственно связанным с периодом колебаний, радиоволны подразделяются на следующие виды:
  • Сверхдлинные и длинные волны.
  • Средние частоты.
  • Короткие и УКВ волны.
  • Сверхвысокие колебания.

Сверхдлинные волны – это несущие радиосигнала с частотой в пределах от 3-х до 30 кГц и с длиной от 10-ти до 199 километров. К их особенностям относят способность проникать в толщу воды до 20 метров. На практике они используются для налаживания радиосвязи с подводными объектами, не удаляющимися от границы раздела сред на указанное расстояние.

Радиоволны этого типа огибают земную поверхность, отражаясь при этом от верхних атмосферных слоев с минимальной потерей энергии и используются для дальней связи.

Длинные волны (ДВ) располагаются в частотном диапазоне от 150 до 450 кГц (это соответствует длинам 2000-670 метрам). Эта разновидность радиоволн также способна огибать поверхность Земли и используется для установления связи на дальние расстояния.

Недостаток ДВ – их низкая проникающая способность, из-за которой не удается налаживать уверенный прием и передачу радиосигнала по прямой линии. Для увеличения дальности радиообмена антенна передающего и приемного устройства устанавливаются как можно выше над уровнем почвы. В этом диапазоне без выносной антенны ни один приемник радиосигнала не сможет нормально работать.

Radiovolny 3

Средние волны или СВ занимают частотный диапазон от 500 до 1600 кГц (λ у них составляет от 600 до 190 метров соответственно). Их особенность состоит в следующем:
  • В ночные часы эти волны хорошо отражаются от ионосферы, располагающейся на высоте 100-450 км над земной поверхностью.
  • В дневное время они поглощаются ее слоями, не обеспечивая надежную радиосвязь.
  • С помощью этих частот удается наладить сообщение по радиоканалу в ночные часы на расстояниях, не превышающих несколько сотен километров.

Radiovolny 4

Короткие волны, обозначаемые как «КВ», характеризуются частотным диапазоном ν=3-30 МГц (при длине λ = 100-10 метров). Они также как и СВ хорошо отражаются от ионосферы, но не зависят от времени суток. За счет этого колебания КВ способны распространяться на многие тысячи километров в атмосферном коридоре, ограниченном поверхностью Земли и слоем ионосферы. Такое распространение радиоволны называют «скачковым». Для их нормального распространения не требуется передатчиков значительной мощности.

УКВ и СВЧ

Ультракороткие или УКВ волны распространяются с частотами v-ню=30-300 МГц (при длине волны λ от 10-ти до 1 метра). Такие колебания способны огибать габаритные препятствия и отличаются высокой проникающей способностью. Благодаря этим свойствам УКВ диапазон наиболее распространен в радиовещательной практике (особенно – его верхняя часть, называемая FM).

Основной недостаток радиоволн этого диапазона – их быстрое затухание при встрече с не огибаемыми препятствиями (ж/б стенами зданий, например). Из-за значительной частоты колебаний они поглощаются большинством материалов с высокими прочностными показателями. Помимо этого железобетонные преграды представляют для них серьезное препятствие из-за наличия в них металлических решеток из прутьев, оказывающих экранирующее действие.

С учетом этих ограничений дальность распространения УКВ волн R рассчитывается по следующей формуле:

Formula

где h1 и h2 – высоты расположения передатчика и приемника.

В качестве примера рассмотрим ситуацию, когда радиопередача ведется с останкинской телевизионной башни (ее высота равна 500 метрам), а прием – на выносную десятиметровую антенну. При этих исходных данных дальность связи в пределах прямой видимости составит порядка 100 км.

Сверхвысокие частоты (сверхкороткие сантиметровые колебания) также относятся к категории радиоволн. Их частотный диапазон – от 300 МГц до 3 ГГц (длина составляет от 1 метра до 10 см). Они не огибают препятствия и характеризуются высокой проникающей способностью.

Основные области применения СВЧ колебаний, это:

В последнем случае используется свойство радиоволны поглощаться продуктами и нагревать их до высокой температуры. Это становится возможным благодаря способности электромагнитных колебаний данного диапазона преобразовывать переносимую ими энергию в тепловую форму.

Бытовая СВЧ печь и находящийся в квартире роутер работают примерно в одном и том же диапазоне радиоволн. В целях эксплуатационной безопасности рекомендуется избегать длительного нахождения пользователей поблизости от этих приборов.

Что такое модуляция радиоволны и ее разновидности
Под модуляцией радиоволн понимается циклическое изменение одного из их параметров в соответствие с кодирующим сигналом. По выбранной характеристике и типу обработки все известные способы модуляции подразделяются на следующие виды:
  • Амплитудная (АМ).
  • Частотное кодирование.
  • Фазовая обработка радиочастотных сигналов.

В первом случае кодирование полезным сигналом (передачей музыкальной программы, например) на передающей станции происходит путем изменения амплитуды радиочастотной посылки. Для прослушивания музыки в составе приемной аппаратуры имеется специальный блок, который называется «амплитудный детектор» или «демодулятор».

Графическое представление модуляции радиоволны с помощью синусоидального сигнала:

Moduliatsiia

Частотная модуляция (FM)

При втором способе кодирования радиосигнала в качестве изменяющегося параметра волны выбирается ее частотная характеристика. В этом случае процесс модуляции похож на сдвигающиеся и раздвигающиеся меха обычной гармошки, которые делают это в такт с передаваемой музыкальной программой.

Radiovolny 5

Этот способ модуляции имеет преимущества перед АМ, которая исторически появилась раньше и имеет множество недостатков. Основное преимущество FM при его сравнении с амплитудной обработкой – высокая помехозащищенность передаваемых высокочастотных колебаний. Поэтому данный вид кодирования применяется при трансляции программ высокого звукового качества, как правило, передаваемых в диапазонах УКВ и FM.

Фазовая модуляция – это изменение несущей радиочастотной посылки в такт фазе кодирующего сигнала. Чаще всего этот способ применяется для цифровой обработки радиочастотных колебаний в специальных синтезаторах и генераторных устройствах. Помимо этого фазовая модуляция используется при работе современных приборов, обеспечивающих связь по WI-FI и GSM каналам.

Особенности распространения радиоволн
Для радиочастотных колебаний, свободно распространяющихся в атмосфере Земли, присущи такие «волновые» свойства как интерференция и дифракция. Первая представляет собой результат отражения волн от встречающихся препятствий, приводящий к их сложению по особому закону. При этом возможны следующие варианты:
  • Если отраженные волны находятся в одинаковых фазах – их амплитуды математически складываются.
  • Когда фазовый показатель у них несколько отличается – размах итогового колебания соответствует какому-то среднему значению.
  • Если отраженные колебания находятся в противофазе – суммарная волна будет иметь амплитуду, близкую к нулевому значению.

Интерференция чаще всего проявляется при распространении УКВ ЧМ радиочастотных колебаний и телевизионного сигнала. Дифракция также возникает при встрече распространяющейся волны с препятствиями. Однако в отличии от интерференции этот эффект касается того, как она ведет себя после прохождения через преграду. К примеру, при преодолении узкой щели в препятствии радиоволны нарушают законы геометрической оптики, согласно которым э/м колебания распространяются прямолинейно.

ВЧ колебания после прохождения щели заходят в область геометрической «тени» и отклоняются от предписанной законами траектории. Это объяснятся двойной природой э/м колебаний, которые одновременно являются и волнами, и корпускулами (дискретными частицами).

Похожие темы:
РубрикаЭЛЕКТРОТЕХНИКА