Распространенине радиоволн

Распространенине радиоволн

Радиоизлуче́ние (радиово́лны, радиочастоты) — электромагнитное излучение с длинами волн 5×10−5—1010 метров и частотами, соответственно, от 6×1012 Гц и до нескольких Гц[1]. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях.

Распространение радиоволн, процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом  пространстве и толще Земли. Радиоволны, излучаемые передатчиком, прежде чем  попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь  по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь  от ионосферы, и т.д.

Способы распространения радиоволн существенно зависят от

• длины волны,
• от освещённости земной атмосферы Солнцем влияние поверхности Земли на излучаемые волны,
• формирование волн, связанных с Земной поверхностью;
• отражение волн от различных объектов как природных, так и искусственных, расположенных на поверхности Земли и многолучевое формирование итогового сигнала;
• ослабление мощности радиоволн из-за их поглощения дождем, снегом, пылью;
• отражение радиоволн от дождя, снега, пыли, стай птиц;
• искривление путей распространения радиоволн из-за неоднородности слоев атмосферы.

Наиболее существенным фактором, влияющим на распространение  радиоволн в реальных условиях, является метеорология. Поэтому данные метеорологии широко используются данной отраслью знаний.

Главные свойства радиоволн заключаются в том, что они способны переносить через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. Колебания же возникают при изменении электрического поля. Свойства радиоволн позволяют им свободно проходить сквозь воздух или вакуум. Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. На этом свойстве основано применение электромагнитных волн в радиолокации. Свойства радиоволн огибать тела на своём пути реализуются в случае, когда размеры данного тела имеют меньший показатель, чем длина радиоволны, или сравнимы с ней. Если тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Скорость распространения в свободном пространстве одинакова для всех типов электромагнитных волн от гамма-лучей до волн низкочастотного диапазона. Но число колебаний в единицу времени меняется в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду для электромагнитных волн низкочастотного диапазона до 1020 колебаний в секунду в случае рентгеновского и гамма-излучений. Поскольку длина радиоволны (т.е. расстояние между соседними горбами волны; рис. 1) дается выражением ? = с/f, она тоже изменяется в широких пределах – от нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний до 10–14 м для рентгеновского и гамма-излучений. Именно поэтому взаимодействие электромагнитных волн с веществом столь различно в разных частях их спектра. И все же все эти волны родственны между собой, как родственны водяная рябь, волны на поверхности пруда и штормовые океанские волны, тоже по-разному воздействующие на объекты, встречающиеся на их пути. Электромагнитные волны существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику через вакуум или межзвездное пространство. Например, рентгеновские лучи, возникающие в вакуумной трубке, воздействуют на фотопленку, расположенную вдали от нее, тогда как звук колокольчика, находящегося под колпаком, услышать невозможно, если откачать воздух из-под колпака. Глаз воспринимает идущие от Солнца лучи видимого света, а расположенная на Земле антенна – радиосигналы удаленного на миллионы километров космического аппарата. Таким образом, никакой материальной среды, вроде воды или воздуха, для распространения электромагнитных волн не требуется. Далее рассмотрим основные постоянные свойства радиоволн – частота и длина.

Частота электромагнитного  излучения (радиоволны)

Электромагнитное  излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой  энергии. Частота электромагнитного  излучения показывает, сколько раз  в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в  секунду изменяется в каждой точке  пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота  электромагнитного излучения в  герцах (Гц) – единицах названных  именем великого немецкого ученого  Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это  одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в  секунду. Это основная единица измерения  для данного явления, (аналогично, например,  децибелу — единице  уровней, затуханий и усилений). Электромагнитные волны, частота электромагнитного  излучения которых условно ограничены 3000 ГГц, распространяются в пространстве без искусственного волновода. Нижняя граница радиоволн – 3 кГц –  условная, установлена международными соглашениями. По длине волны диапазон радиоволн подразделяют на: мириаметровые (3—30 кГц), километровые (30—300 кГц), гектометровые (300—3000 кГц), декаметровые (3—30 МГц) и метровые (30—300 МГц), дециметровые (300—3000 МГц), сантиметровые (3—30 ГГц), миллиметровые (30—300 ГГц), децимиллиметровые (300—3000 ГГц).

Длина радиоволны

Длина радиоволны –  это расстояние между двумя соседними  максимально высокими или максимально  низкими точками, расстояние, которое  проходит волна за один период –  за время одного колебания. Таким  образом, длина радиоволны представляет собой расстояние между двумя  соседними «возвышениями» или «впадинами»  волны. Частота и длина радиоволны обратно пропорциональны друг другу. Поэтому, зная частоту и скорость распространения радиоволн, можно  определить искомую величину. Длина  радиоволны равна скорости распространения, поделенной на частоту. Как уже было описано, с увеличением частоты  длина радиоволны уменьшается, с  уменьшением – увеличивается. Знание длины волны очень важно при  выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит  длина антенны. Энергия, которую  несут радиоволны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. Поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно  пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность  связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени  от расстояния до него.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности. 

Р. р. — пространственный процесс, захватывающий большую  область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей  форму эллипсоида вращения, в фокусах  которого А и В расположены  передатчик и приёмник (рис. 1).

При увеличении длины существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на Р. р. в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью, поэтому Р. р. вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением длины волны.

Помимо ослабления, происходит также изменение структуры  поля волны. Если антенна у поверхности  Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну,у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной.

Земная поверхность  неоднородна, наиболее существенное влияние  на Р. р. оказывают электрические  свойства участков трассы, примыкающих  к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем  над морем (s ® ¥) , то при пересечении  береговой линии резко изменится  напряжённость поля (рис. 6), т. е. амплитуда  и направление распространения  волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным  возмущением поля радиоволны, уменьшающимся  по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности  также влияет на Р. р. Это влияние  зависит от соотношения между  высотой неровностей поверхности h, горизонтальной протяжённостью l, l и  углом падения q волны на поверхность.

Высокие холмы, горы и т.п., кроме того, сильно "возмущают" поле, образуя затенённые области. Дифракция  радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн.

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха  с суши над поверхностью моря) температура  воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что  вышедшая под небольшим углом  к горизонту волна на некоторой  высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн).

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн  вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и  газах атмосферы. Ослабление обусловлено  процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность  токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых  и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного  излучения, ослабляющего прямой сигнал.

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере — многокомпонентной плазме, находящейся в магнитном поле Земли, механизм Р. р. сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают  в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис. 16).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через  ионосферу вдоль силовых линий  магнитного поля Земли. Распространяясь  вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем  возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь  описанным способом, они создают  на входе приёмника сигнал с характерным  свистом (свистящие атмосферики).

Для радиоволн инфразвуковых  частот, частота которых меньше гироскопической  частоты ионов, ионосфера ведёт  себя как проводящая нейтральная  жидкость, движение которой описывается  уравнениями гидродинамики. Благодаря  наличию магнитного поля Земли любое  смещение проводящего вещества, создающее  электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными  силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых  линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий.

Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере  этих планет. При осуществлении связи  между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное  значение приобретают миллиметровые  и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи. Сведения о процессах Р. р. в космическом пространстве даёт радиоастрономия.

Сотовая связь, сеть подвижной  связи — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Основные составляющие сотовой сети — это сотовые  телефоны и базовые станции, которые  обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый  телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого  телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон  и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь  пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой (англ. handover).

Сотовые сети могут  состоять из базовых станций разного  стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам  одного оператора делать звонки абонентам  другого оператора, с мобильных  телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Операторы могут  заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам  абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и  принимать звонки через сеть другого  оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам. Возможность  роуминга появилась лишь в стандартах 2G и является одним из главных  отличий от сетей 1G.[1]