Радиоволны

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания, частота которых выше 3 кГц и может достигать 300 ГГц, примыкая к инфракрасным волнам. Электромагнитные колебания этих частот широко используются в народном хозяйстве для радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации, телеметрии, телеуправления и во многих других областях. В соответствии с особенностями построения передающей и приемной аппаратуры, областями использования и особенностями распространения радиоволны разделены на диапазоны, как это представлено в табл. 2 приложения.

По новому стандарту эти диапазоны именуются мириаметровым, километровым, гектаметровым, декаметровым (последний соответствует диапазону коротких волн КВ), метровым, дециметровым, сантиметровым, миллиметровым, ранее объединявшимися в диапазон ультракоротких волн (УКВ).

Радиоволны являются природным ресурсом, который следует разумно использовать и заботливо охранять. В 1895 г. А. С. Попов открыл возможность использования этого природного ресурса, и вот менее чем за сто лет развитие радиосредств привело к загрузке всех радиочастот и перегрузке отдельных диапазонов. Положение, сложившееся в области освоения диапазонов радиочастот, можно сравнить с историей освоения новых земель, когда сначала осваивались плодородные, легко доступные участки, а затем земли, требующие приложения больших усилий, изыскания новых технических средств. К счастью для радиотехники, радиоволны — такой ресурс, который может быть использован, но не может быть израсходован. Однако возможно засорение диапазона радиочастот при нерациональном его использовании.


Рис. 1. Мгновенная картина поля вибратора в плоскости силовых линий электрического поля.

Радиоволны, представляя собой электромагнитные колебания, являются совокупностью электрического и магнитного полей и характеризуются напряженностью электрического и магнитного полей. Для наглядного представления электромагнитного поля на рис. 1 представлены силовые линии поля, созданного самой простой антенной — коротким вибратором. Сплошные линии изображают силовые линии электрического поля, а точки и кресты — замыкающиеся вокруг них линии магнитного поля, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Вдали от антенны силовые линии электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Направление силовой линии поля в каждой точке характеризуется вектором напряженности поля. На рис. 1 вектор напряженности электрического поля Е направлен по оси х, вектор напряженности магнитного поля Н — по оси у. Направление распространения волны обозначено вектором П, оно совпадает с осью z и перпендикулярно векторам Е и Н. При распространении радиоволны величины векторов Е и Н меняются во времени с частотой радиоволны и, кроме того, меняются в направлении распространения волны.


Рис. 2. Мгновенная картина распределения напряженности электрического и магнитного полей в направлении распространения волны.

На рис. 2 показана картина распределения напряженности электрического и магнитного полей вдоль направления распространения волны, зафиксированная для одного момента времени.

Если напряженность поля в двух точках пространства, например А и В, возрастает и убывает одновременно, то говорят, что поля в этих точках синфазны. Поля в точках А и С — противофазны, так как в любой момент времени вектора напряженности поля направлены в противоположные стороны. Поля в точках В и D колеблются с некоторой разностью фаз, зависящей от частоты колебаний и свойств среды. Расстояние между двумя ближайшими синфазными точками поля радиоволны называется длиной волны λ.

С изменением времени картина поля перемещается с фазовой скоростью распространения волны υф, которая связана с частотой колебаний и длиной волны соотношением υф = fλ. В свободном пространстве, пустоте, радиоволны распространяются со скоростью света υф = с = 300000 км/с. Следовательно, в свободном пространстве длина волны в метрах определяется при известной частоте колебаний в мегагерцах следующим образом: λ = 300/f. При распространении волны в какой-либо другой среде, веществе, скорость движения волны изменяется в зависимости от свойств вещества: υф = c/n, где n — коэффициент преломления среды.

При одном и том же направлении распространения волны электрическое и магнитное поля могут быть различно ориентированы в пространстве. На рис. 1 и 2 вектор поля Е направлен вдоль оси х. Если вибратор повернуть на 90° и направить по оси y, то и вся картина поля повернется на 90°, хотя направление распространения волны не изменится. Направление вектора Е определяет поляризацию волны. Рассматривая распространение радиоволн, различают горизонтально и вертикально поляризованные волны. Горизонтально поляризованной волной называют волну, у которой вектор Е параллелен поверхности земли (рис. 3, а). Такая волна излучается и принимается антеннами, например, в виде горизонтальных вибраторов. Для передачи телевидения в большинстве городов применяются радиоволны горизонтальной поляризации. Вертикально поляризованной волной называют волну, у которой вектор Н параллелен поверхности Земли (рис. 3, б). Вертикально поляризованные волны излучаются и принимаются вертикальными вибраторами и применяются, например, для радиосвязи водителей такси с диспетчерскими пунктами, службами ГАИ.


Рис. 3. Поляризация радиоволн.

Напряженности электрического и магнитного полей связаны между собой через параметры среды, поэтому достаточно рассчитать или измерить одну из этих величин. Оказалось, что удобнее измерять напряженность электрического поля. Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м), милливольтах на метр (мВ/м) или микровольтах на метр (мкВ/м): 1 мкВ = 10-3 мВ/м = 10-6 В/м. Часто пользуются относительными логарифмическими единицами — децибелами (дБ) 1 дБ = 20 lg Е/Е1. Обычно принимают Е1 = 1 мкВ/м и 1 мВ/м. Поэтому напряженность поля, например 1000 мкВ/м, равна 60 дБ, отнесенным к 1 мкВ (в 1000 раз или на 60 дБ больше 1 мкВ). В приложении дана табл. 1, позволяющая определить, во сколько раз напряженность поля отличается от некоторого значения, если известно, сколько децибел составляет эта разница.