Розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі

Передача сигналів у системах радіозв'язку здійснюється за допомогою електромагнітних хвиль, що, як відзначалося вище, випромінюються спеціальною направляючою системою - антеною.

Відомо, що зміна в часі і просторі електромагнітного поля описується рівняннями Максвелла.

У цих рівняннях змінними є електричне поле Е та магнітне поле Н. Ці поля взаємозалежні, а параметри Е та Н, що характеризуються не тільки абсолютною величиною, але і напрямком у просторі, є векторами.

Фізичний зміст першого рівняння Максвелла: якщо в деякій точці простору змінюється в часі електричне поле Е, тобто змінюється за величиною довжина вектора Е, то в тій же точці у площині, перпендикулярній вектору Е, виникає вихрове магнітне поле Н.

Іншими словами, магнітне поле створюється або електричними зарядами, що рухаються, або змінним електричним полем, або їхньою спільною дією.

Фізичний зміст другого рівняння полягає в тому, що джерелом електричного поля є не тільки електричні заряди, але і змінне у часі магнітне поле.

Знак «мінус» у рівнянні показує, що магнітний потік крізь поверхню, обмежену замкнутим контуром, перешкоджає зміні магнітного потоку, викликаного появою індукційного струму. Це випливає з правил Ленца.

Напруженість електричного поля Е вимірюється у вольтах на метр (В/м), а напруженість магнітного поля Н - в амперах на метр (А/м).

Оскільки зміна електричного поля викликає таку ж зміну магнітного поля і навпаки, то при синусоїдальному сигналі поля Е та Н також будуть змінюватися за синусоїдальним законом, але у взаємно перпендикулярних площинах.

Максимальна потужність, що випромінюється антеною, може бути досягнута за умови рівності частоти генератора високої частоти і частоти власних коливань антени (відкритого контуру).

Інтервал між двома максимумами або мінімумами поля Е або Н залежить від частоти коливання f. Тому електромагнітні хвилі характеризуються частотою коливань f або довжиною хвилі l. Електромагнітні хвилі поширюються в просторі зі швидкістю світла с=3×10⁸ м/с.

Довжиною хвилі l називається відстань, що проходить електромагнітне поле за один період коливань струму в антені. Довжина хвилі визначається за формулою:

 

l=с/¦,

 

де с - швидкість поширення електромагнітних хвиль (швидкість світла);

f - частота коливань струму в антені.

Як очевидно з формули (3.5), довжина хвилі і частота коливань обернено пропорційні величини, тобто чим більше частота, тим менше довжина хвилі і навпаки. Частота коливань виражається в герцах (Гц), кіло - (кГц), мега - (МГц) та гигагерцах (ГГц).

При поширенні радіохвиль від передавача до приймача необхідно враховувати наявність земної або водяної поверхонь, а також наявність іоносфери, що змінює свої параметри під дією сонячних і космічних променів. Радіохвилі заломлюються і поглинаються в іоносфері тим більше, чим вище ступінь її іонізації і чим більше довжина хвилі.

Зміна параметрів іоносфери впливає, по-перше, на добові і сезонні зміни умов поширення радіохвиль і, по-друге, на умови поширення радіохвиль різних діапазонів.

Радіохвилі можуть поширюватися двома шляхами:

· безпосередньо над земною (водяною) поверхнею (земні або просторові хвилі);

· відбиваючись від іоносфери (відбиті або просторові хвилі).

Фактично ж радіохвилі не відбиваються від іоносфери, а заломлюються в ній. Це явище одержало назву рефракції.

Понаддовгі (ПДХ) і довгі (ДХ) хвилі поширюються як земною (поверхневою), так і просторовою (відбитою) хвилею. У діапазонах ПДХ і ДХ хвилі мають велику довжину, вони добре огинають земну поверхню і перешкоди до неї.

У залежності від потужності і довжини хвилі (частоти) передавача, поверхнева хвиля, починаючи з деяких відстаней, поглинається і далі поширюється тільки просторова хвиля. Для забезпечення радіозв'язку на великі відстані необхідно використовувати потужні радіопередавачі і громіздкі антени, у яких розміри повинні бути відповідними до довжини хвилі.

Понаддовгі і довгі хвилі характеризуються незначною залежністю від стана іоносфери, часу доби і року. Проте вночі і взимку ПДХ і ДХ поширюються краще, ніж вдень і влітку.

Основними джерелами перешкод у цих діапазонах є грозові розряди і промислові перешкоди.

Середні хвилі (СХ) сильніше, ніж довгі і понаддовгі, поглинаються земною поверхнею та іоносферою. Відбита хвиля вдень і, особливо, влітку поглинається щільними шарами атмосфери, що лежать високо над поверхнею землі, тому радіозв'язок на середніх хвилях у цей час забезпечується поверхневою хвилею. Чим менше довжина хвилі, тим менше дальність радіозв'язку. Вона значно менше, ніж на ДХ і ПДХ, причому над водною поверхнею, де провідність поверхні більше, вона більше, ніж над земною.

Вночі і взимку радіозв'язок можна проводити також із використанням просторової хвилі.

У діапазоні середніх хвиль спостерігаються ненавмисні перешкоди, викликані великою кількістю працюючих у цьому діапазоні радіостанцій. Крім цього, в діапазоні СХ на якість роботи радіоліній впливають промислові й атмосферні перешкоди.

У діапазоні коротких хвиль (КХ) радіозв'язок забезпечується, в основному, просторовою хвилею (за рахунок рефракції в іоносфері).

Поверхневі хвилі в цьому діапазоні гірше огинають перешкоди і великою мірою поглинаються земною поверхнею. Дальність поширення поверхневих коротких хвиль не перевищує ста кілометрів (зона дії поверхневих хвиль). Ширина зони мовчання, що залежить від довжини хвилі і потужності передавача, часу року і доби, може досягати декількох сотен кілометрів. Далі знаходиться зона дії просторових хвиль.

Підвищення ефективності використання просторових хвиль досягається за рахунок того, що робоча частота повинна бути, по-перше, менше деякої граничної частоти відбитка від іоносфери і, по-друге, дещо вище граничної частоти поглинання в іоносфері.

У діапазоні КХ, у залежності від часу доби і року, а також циклів сонячної активності, існують оптимальні значення довжин хвиль. Так, удень це хвиля довжиною 10…25 м, а вночі - 30…70 м. Взимку звичайно використовуються хвилі дещо більш довгі, ніж влітку.

Короткі хвилі дозволяють забезпечити радіозв'язок на значні відстані навіть при невеликій потужності передавачів. Багаторазово відбиваючись від іоносфери і земної поверхні, короткі хвилі можуть обігнути земну кулю.

У діапазоні КХ працює велика кількість радіостанцій, у тому числі і для забезпечення радіозв'язку в пожежній охороні. Основним видом перешкод у цьому діапазоні є ненавмисні, що створюються великою кількістю передавачів, що одночасно працюють у короткохвильовому діапазоні.

Ультракороткі хвилі (УКХ) практично не відбиваються від іоносфери, а надійний зв'язок у цьому діапазоні можливий лише на відстані прямої видимості.

Дальність радіозв'язку істотно залежить від висоти антен:

 

,

 

де D - максимальна відстань між антенами, км;₁, h₂ - висота антени передавача та приймача відповідно, м.

З урахуванням нормальної рефракції ця відстань дещо зростає і визначається за формулою:

 

При висоті антен h₁ = h₂ = 12 м максимальна дальність радіозв'язку дорівнює D = 32 км.

Ультракороткі хвилі сильно поглинаються земною поверхнею і місцевими предметами, оскільки практично не огинають перешкод.

Поширення хвиль в УКХ діапазоні слабко залежить від часу року і доби. Основними перешкодами тут є власні шуми радіоприймального пристрою.

В УКХ діапазоні достатньо нескладно здійснити направлене випромінювання електромагнітної енергії, а це дає можливість вести радіозв'язок за допомогою малопотужних радіопередавачів. У пожежній охороні широко застосовуються радіостанції УКХ діапазонів.

Відкриття явища розсіювання УКХ від неоднорідностей тропосфери й іоносфери дозволило збільшити дальність передачі радіохвиль у десятки разів. Дальність зв'язку залежить від висоти, на якій відбувається розсіювання ультракоротких хвиль. У тропосфері розсіювання радіохвиль відбувається на висотах 10…12 км, і це дозволяє забезпечити зв'язок на відстані до 600… 900 км. Цей вид зв'язку називається тропосферним зв'язком. На неоднорідностях іоносфери радіохвилі розсіюються на висоті 80… 120 км, а дальність іоносферного радіозв'язку збільшується до 2000… 2200 км.

У дециметровому, сантиметровому і міліметровому діапазонах поширення радіохвиль здійснюється в межах прямої видимості і дальність радіозв'язку визначається за допомогою формул.

Застосовуються ці хвилі в радіолокації, у радіорелейному і супутниковому зв'язку, а також для інших спеціальних цілей.

 

 

Структурна схема радіозв`язку