Излучение и распространение радиоволн

Электромагнитные волны излучаются проводником, по которому проходит ток высокой частоты. В проводнике, изогнутом в виде петли (рис. 3.4, а), токи I в двух его половинах направлены в противоположные стороны. Электромагнитные волны, создаваемые этими токами, противоположны по фазе, и если расстояние между проводами мало по сравнению с длиной волны, то эти волны будут в пространстве взаимно уничтожаться. Следовательно, провод в виде петли не излучает электромагнитные волны. То же можно сказать о колебательном контуре (рис. 3.4, 6).

Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитных колебаний, так как электрическое поле сосредоточено в основном в конденсаторе и токи смещения в диэлектрике замыкаются наиболее коротким путем - между его обкладками. Магнитное поле сосредоточено в основном в катушке.

Если раздвинуть обкладки конденсатора и развернуть соединительные провода в прямую линию (рис. 3.4, в), то токи в этих проводах будут иметь одинаковое направление. Такой контур называется открытым, он может излучать электромагнитные волны.

Рис. 3.4. Направления токов в элементах колебательного контура:

а - петлевой элемент провода, не излучающий электромагнитные волны; б - замкнутый колебательный контур; в — разомкнутый колебательный контур; г — прямолинейный элемент провода, излучающий электромагнитные волны; д - элемент индуктивной связи

с антенной

Увеличение излучения электромагнитных волн можно получить, если вытянуть провод катушки в прямую линию и вместо обкладок конденсатора для создания необходимой емкости применить провода достаточной длины (рис. 3.4, г). Тогда направление токов во всех элементах провода будет одно и то же, т. е. электромагнитные колебания во всех частях провода будут совершаться в одинаковых фазах и излучение станет наибольшим. Таким образом, открытый контур в простейшем случае представляет собой прямолинейный провод. Практически же в нем оставляют небольшую катушку для индуктивной связи с генератором высокой частоты передатчика и с избирательным усилием радиоприемника, на входе которого, как правило, включается колебательный контур (рис. 3.4, д).

Всякий провод обладает собственными индуктивностью и емкостью, распределенными по его длине, а поэтому является своеобразным колебательным контуром. На схеме рис. 3.5, а в положении 1 переключателя П обе половины провода заряжаются от батареи Б. После перевода переключателя в положение 2 электроны будут двигаться вдоль провода в направлении от нижней его половины к верхней, а затем в обратном направлении, т.е. в проводе возникнут свободные затухающие колебания. Отдельные фазы колебательного процесса в проводе изображены на рис. 3.5, 6. В верхней части рисунка показано распределение электрического и магнитного полей, а в нижней - график изменения тока и напряжения в антенне.

Рис. 3.5. Схема для возбуждения свободных колебаний в открытом

контуре и колебательный процесс в нем:

а - эквивалентная схема колебательного контура; б - схемы, поясняющие колебатель-

ный процесс в контуре; в - силовые линии магнитного и электрического полей

Напряжением в какой-либо точке антенны принято называть разность потенциалов между данной точкой и точкой, расположенной симметрично на другой половине провода. График тока показывает также изменение напряженности магнитного поля, а график напряжения - изменение напряженности электрического поля.

В начальный момент (точка 0 на рис. 3.5. 6) провод обладает потенциальной энергией электрического поля зарядов, сосредоточенных в его верхней и нижней половинах. Разность потенциалов имеет максимальную величину, а тока пока нет. При движении зарядов вдоль провода ток возрастает, а напряжение уменьшается, и энергия электрического поля переходит в кинетическую энергию магнитного поля, создаваемого током. Через четверть периода электрическое поле заменяется магнитным. В момент (точка 1 на рис. 3.5, 6) ток достигает максимума, а напряжение равно нулю. Затем ток и магнитное поле уменьшается, в результате чего возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает движение электронов, и провод перезаряжается. Энергия переходит из магнитного поля в электрическое и т.д. В промежуточные моменты одновременно существуют электрическое и магнитное поля. Электрическое и магнитное поля имеются вдоль провода, причем магнитное поле наиболее сильное в середине провода, где ток наибольшей величины, а на концах провода ток равен нулю и магнитное поле отсутствует.

Токи смещения в открытом колебательном контуре замыкаются через окружающее пространство, удаляясь на значительное расстояние от своих источников (заряд на проводе). Поэтому переменное электрическое поле, созданное токами смещения, достигшее некоторого удаления от провода, может потерять связь с ним (оторваться). При этом линии тока смещения будут замыкаться сами на себя, т.е. образуется синусоидальное переменное электрическое поле, создающее переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает электрическое поле, и т. д. (рис. 3.5, а). Возникает волновой процесс. Электромагнитные волны, не связанные со своими источниками (свободные волны), распространяются в пространстве. Таким образом, излучение возможно благодаря конечной скорости распространения электромагнитных волн, вследствие чего фаза поля в точке, находящейся на некотором расстоянии от излучателя, отстает от фазы своего источника. Чем больше частота колебаний питающего напряжения, тем легче происходит процесс излучения.

Если в проводах открытого контура и в непосредственной близости (расстояние, меньше длины волны) магнитное поле сдвинуто на 90^о по отношению к электрическому полю, то за пределами этого расстояния свободные магнитное и электрическое поля находятся в фазе, так как образование одного невозможно без другого.

Открытый контур в виде прямолинейного провода, в котором могут происходить электрические колебания, называют симметричным вибратором или просто вибратором (диполем). Чтобы электрические колебания были незатухающими, его соединяют с генератором (Ген) индуктивной связью (см. рис. 3.4, д).

В простейшем случае антенное устройство для длинных, средних, а иногда коротких волн может быть выполнено так, как показано на рис. 3.6. Над землей на некоторой высоте (чем выше, тем эффективнее излучение) подвешивается антенна - провод или система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй обкладкой является земля или второй провод - противовес, подвешенный невысоко над землей.

Вибратор является главной частью антенн, работающих на коротких и ультракоротких волнах.

Мощность излучаемых электромагнитных волн рассчитывается по формуле

(3.1)

где I_a - ток в пучности вибратора; Р_изл - сопротивление излучения вибратора, величина которого составляет 73—80 Ом.

Рис. 3.6. Антенное устройство с заземлением (а) и противовесом (б)

Сопротивление излучения вибратора определяется как

(3.2)

где l - длина провода антенны; l - длина электромагнитной волны.

Распространяющиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т.е. электрические и магнитные силовые линии у них располагаются в соответствующих плоскостях.

На рис. 3.7 приведено графическое изображение радиоволн в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Векторы электрического поля Е расположены в вертикальной плоскости, а векторы магнитного поля Н - в горизонтальной, причем эти векторы перпендикулярны вектору П, называемому вектором Умова -Пойнтинга. Направление вектора П совпадает с направлением распространения электромагнитных волн, а его длина в принятом масштабе соответствует количеству электромагнитной энергии, которую переносят радиоволны:

(3.3)

По мере удаления от излучающей антенны плотность потока энергии радиоволны уменьшается:

(3.4)

где r - расстояние от излучения.

Частота собственных колебаний открытого контура зависит от емкости и индуктивности провода. Можно считать, что каждый метр провода имеет емкость около 5 пФ и индуктивность около 2 мкГн. Более длинному проводу соответствуют большие емкость и индуктивность, а следовательно, и меньшая частота (и большая длина электромагнитной волны) собственных колебаний антенны.

Рис. 3.7. Графическое изображение электромагнитной волны

Так как электромагнитная волна проходит вдоль провода антенны за полупериод определенное расстояние, то длина провода открытого контура совпадает с этим расстоянием и рассчитывается как

где l - длина электромагнитной волны.

Это же вытекает из распределения тока и напряжения в антенне. Следовательно, длина радиоволны равна

Учитывая, что

получаем

Максимальная мощность, излучаемая антенной, может быть достигнута при условии равенства частоты генератора и частоты собственных колебаний открытого контура (антенны). Именно по этой причине радиостанции, работающие в диапазоне длинных волн, нуждаются в длинных антеннах.

На практике для удлинения электромагнитной волны собственных колебаний антенны в нее последовательно включают катушку, что равносильно увеличению длины провода (рис. 3.8, а). Последовательно включенный в антенну конденсатор вызовет укорочение собственной длины электромагнитной волны антенны, так как при последовательном включении емкостей общая емкость уменьшается (рис. 3.8, 6).

Для заземленной антенны длина радиоволны составит

С учетом влияния земли и окружающих предметов длина радиоволн составит

l=(5-6)l.

Рис. 3.8. Схемы удлинения (а) и укорочения (б) длин радиоволн собственных

колебаний антенн (L_св - катушка связи)

На прохождение электромагнитных волн, используемых для связи на земной поверхности, оказывают влияние рельеф поверхности земли и электрические свойства грунта, а также свойства самых нижних слоев атмосферы (тропосферы) и верхних ионизированных слоев атмосферы (ионосферы). Тропосфера - это слой атмосферы высотой до 16 км, примыкающий к поверхности земли, и с некоторым допущением принимаемый за диэлектрик без потерь. Потери могут быть за счет перемещения молекул (ингредиентов), обладающих электрическими и магнитными моментами. Потери увеличиваются на сверхвысоких частотах при дожде и тумане.

Ионосфера располагается на высоте около 60 км от поверхности земли и простирается до высоты 600 км. Степень ионизации ионосферы сильно зависит от воздействия ультрафиолетовых лучей солнца. Между тропосферой и ионосферой находится стратосфера.

Радиоволны от передающей антенны достигают ионосферы и отражаются от нее. При встрече непрозрачных препятствий электромагнитные волны стремятся огибать их. Это явление называют дифракцией. Чем длиннее электромагнитная волна, тем сильнее сказывается дифракция. Радиоволны, распространяющиеся по поверхности земного шара, огибающие его вследствие дифракции, называют земными радиоволнами (поверхностными). Радиоволны, распространяющиеся вокруг земного шара благодаря однократному или многократному отражению от ионосферы, называют пространственными или ионосферными.

Если бы земля была идеально плоской и обладала высокой электропроводностью, а воздух был идеальным диэлектриком, радиоволны распространялись бы в этом воздушном диэлектрике, отражаясь от поверхности земли, как от экрана, не проникал в глубь ее. Но так как земля не является идеальным проводником, то силовые линии радиоволн частично проникают в нее и образуют там токи, в результате чего возникают потери энергии на нагревание почвы.

Кроме того, радиоволны поглощаются твердыми диэлектриками, полупроводниками и проводниками при встрече с ними. Поглощение радиоволн проводником объясняется тем, что электромагнитная волна приводит в движение электроны проводника и создает в нем ток высокой частоты. На образование этого тока и расходуется электромагнитная энергия радиоволны. Если электромагнитная волна движется вдоль проводника, то поглощение энергии гораздо меньше. Поэтому над проводящей поверхностью, например водой, железнодорожными рельсами, радиоволны распространяются дальше, чем над сухой землей.

При распространении радиоволны (особенно в городах) поглощаются не только землей, но и металлическими крышами, железобетонными сооружениями и другими электропроводящими сооружениями. Радиоволны при встрече с электропроводящими телами способны отражаться. Физический смысл отражения радиоволн заключается в том, что падающая радиоволна создает в поверхностном слое отражающего тела токи, которые дают излучение новых, т.е. отраженных радиоволн.

Таким образом, радиоволны, распространяющиеся от передающей антенны к приемной, ослабевают по мощности из-за поглощения землей, поглощения и отражения другими препятствиями.

Радиоволны различных радиопередатчиков могут накладываться (складываться) друг на друга в точке приема. Именно по этой причине в приемнике прослушиваются писки, свисты, гудение и т.д. Явление сложения двух или нескольких радиоволн называют интерференцией. Интерференция радиоволн от одного и того же передатчика ввиду разницы фаз приходящих радиоволн приводит к усилению или ослаблению результирующей радиоволны в точке приема, а следовательно, и к изменению выходного сигнала приемника (в частности, к изменению громкости звучания речи при телефонной радиосвязи).

В соответствии с международным регламентом радиосвязи радиоволны занимают полосу электромагнитных частот от 3*10³ до 30*10¹² Гц и делятся на девять диапазонов (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Радиоволны длиной от 10 до 1 км называют длинными волнами (ДВ), от 1 км до 100 м - средними (СВ), от 100 до 10 м - короткими (КВ), менее 10 м - ультракороткими (УКВ).

Длинные волны имеют поверхностное распространение. достоинством длинных волн является то, что дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меняется мало. Связь на длинных волнах находит ограниченное применение, так как для связи на большие расстояния требуются мощные радиопередатчики. Кроме того, в диапазоне длинных волн невозможна одновременная работа большого числа радиостанций.

Средние волны используются для радиовещания, телеграфной и телефонной радиосвязи Затухание пространственных волн в этом диапазоне сильно изменяется, и их использование нецелесообразно; на поверхностной волне связь довольно устойчива, так как затухание мало зависит от условий распространения. Короткие волны могут использоваться как для связи на небольших, так и на больших (несколько тысяч километров) расстояниях.

Ультракороткие волны широко используются в радиосвязи, телевидении, радиолокации радионавигации, в том числе в радиосвязи Пожарной охраны. Эти волны, как правило, не отражаются от ионосферы. Поэтому связь на них осуществляется только за счет поверхностной волны. для радиосвязи в УКВ-диапазоне необходимо обеспечение прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Дальность радиосвязи на поверхности земли составляет 40 - 60 км и возрастает с подъемом антенн. Влияние атмосферной рефракции (искривление пути распространения радиоволн в неоднородной среде воздуха) Приводит к заметному увеличению прямой видимости и, следовательно, к увеличению дальности радио связи.

Сантиметровые и миллиметровые волны применяются в радиорелейной связи, радиолокации и для других специальных целей. Они распространяются практически прямолинейно и сильно поглощаются влажной средой.