Трохи про радіохвилі
З формули видно, що, наприклад, частоті 1 МГц відповідає довжина хвилі прибл. 300 м. Зі збільшенням частоти довжина хвилі зменшується, зі зменшенням – здогадайтеся самі. Надалі ми переконаємося, що знання довжини хвилі дуже важливо при виборі антени для радіосистеми, тому що від неї залежить довжина.антени. Електромагнітні хвилі вільно проходять через повітря чи космічний простір (вакуум). Але якщо на шляху хвилі зустрічається металевий провід, антена або будь-яке інше тіло, що проводить, то вони віддають йому свою енергію, викликаючи тим самим у цьому провіднику змінний електричний струм. Але не вся енергія хвилі поглинається провідником, частина її відбивається від поверхні. До речі, на цьому ґрунтується застосування електромагнітних хвиль у радіолокації. Ще однією корисною властивістю електромагнітних хвиль (втім, як і будь-яких інших хвиль) є їхня здатність огинати тіла на своєму шляху. Але це можливо лише в тому випадку, коли розміри тіла менші, ніж довжина хвилі, або можна порівняти з нею. Наприклад, щоб виявити літак, довжина радіохвилі локатора повинна бути меншою за його геометричні розміри (менше 10 м). Якщо тіло більше, ніж довжина хвилі, воно може відобразити її. Але може й не відобразити – згадайте американський літак-невидимку «Stealth». Енергія, яку несуть електромагнітні хвилі, залежить від потужності генератора (випромінювача) та відстані до нього. По науковому це звучить так: потік енергії, що припадає на одиницю площі, прямо пропорційний потужності випромінювання і обернено пропорційний квадрату відстані до випромінювача. Це означає, що дальність зв'язку залежить від потужності передавача, але набагато більшою мірою від відстані до нього. Наприклад, потік енергії електромагнітного випромінювання Сонця на поверхню Землі досягає 1 кіловата на квадратний метр, а потік енергії середньохвильової радіостанції мовлення - всього тисячні і навіть мільйонні частки вата на квадратний метр.
Радіохвилі (радіочастоти), що використовуються в радіотехніці, займають область, або більш науково - спектр від 10000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3000 ГГц). Це лише частина великого спектруелектромагнітні хвилі. За радіохвилями (за спадною довжиною) слідують теплові або інфрачервоні промені. Після них йде вузька ділянка хвиль видимого світла, далі – спектр ультрафіолетових, рентгенівських та гамма променів – все це електромагнітні коливання однієї природи, що відрізняються лише довжиною хвилі і, отже, частотою. Хоча весь спектр розбито на області, межі між ними намічені умовно. Області йдуть безперервно одна за одною, переходять одна в іншу, а в деяких випадках перекриваються. Міжнародними угодами весь спектр радіохвиль, що застосовуються у радіозв'язку, розбитий на діапазони:
Але ці діапазони дуже великі і, у свою чергу, розбиті на ділянки, куди входять так звані радіомовні та телевізійні діапазони, діапазони для наземного та авіаційного, космічного та морського зв'язку, для передачі даних та медицини, для радіолокації та радіонавігації тощо. Кожній радіослужбі виділено свою ділянку діапазону або фіксовані частоти. Приклад розподілу спектра між різними службами [1]. Ця розбивка досить заплутана, тому багато служб використовують свою «внутрішню» термінологію. Зазвичай для позначення діапазонів виділених для наземного рухомого зв'язку використовуються такі назви:
Не треба плутати офіційні назви діапазонів частот із назвами ділянок, виділених для різних служб. Варто зазначити, що основні світові виробники обладнання рухомого наземного зв'язку випускають моделі, розраховані працювати у межах саме цих ділянок. Надалі ми говоритимемо про властивості радіохвиль стосовно їх використання в наземному рухомому радіозв'язку.
Як поширюються радіохвилі
Радіохвилі випромінюються через антену в простір і поширюються у вигляді енергіїелектромагнітного поля. І хоча природа радіохвиль однакова, їхня здатність до поширення сильно залежить від довжини хвилі. Земля для радіохвиль представляє провідник електрики (хоч і не дуже добрий). Проходячи над поверхнею землі, радіохвилі поступово слабшають. Це з тим, що електромагнітні хвилі збуджують у землі електроструми, потім і витрачається частина енергії. Тобто. енергія поглинається землею, причому тим більше, чим коротша довжина хвиля (вища частота). Крім того, енергія хвилі слабшає ще й тому, що випромінювання поширюється на всі боки простору і, отже, чим далі від передавача знаходиться приймач, тим менше енергії припадає на одиницю площі і тим менше її потрапляє в антену. Передачі довгохвильових станцій мовлення можна приймати на відстані до декількох тисяч кілометрів, причому рівень сигналу зменшується плавно, без стрибків. Середньохвильові станції чути близько тисячі кілометрів. Що ж до коротких хвиль, їх енергія різко зменшується в міру віддалення від передавача. Цим пояснюється той факт, що на зорі розвитку радіо для зв'язку в основному застосовувалися хвилі від 1 до 30 км. Хвилі коротші 100 метрів взагалі вважалися непридатними для телекомунікації. Однак подальші дослідження коротких і ультракоротких хвиль показали, що вони швидко згасають, коли йдуть біля Землі. При напрямку випромінювання нагору, короткі хвилі повертаються назад. Ще в 1902 англійський математик Олівер Хевісайд (Oliver Heaviside) і американський інженер-електрик Артур Едвін Кеннеллі (Arthur Edwin Kennelly) практично одночасно передбачили, що над Землею існує іонізований шар повітря - природне дзеркало, що відображає електромагнітні хвилі. Цей шар названо іоносферою.Іоносфера Землі мала дозволити збільшити дальність поширення радіохвиль на відстані, що перевищують пряму видимість. Експериментально це припущення було доведено в 1923. Радіочастотні імпульси передавалися вертикально вгору і приймалися сигнали, що повернулися. Вимірювання часу між посилкою та прийомом імпульсів дозволили визначити висоту та кількість шарів відбиття. Поширення довгих і коротких хвиль [2]. Відбивши від іоносфери, короткі хвилі повертаються до Землі, залишивши під собою сотні кілометрів «мертвої зони». Промандрувавши до іоносфери і назад, хвиля не «заспокоюється», а відбивається від поверхні Землі і знову спрямовується до іоносфери, де знову відбивається і т. д. Так, багаторазово відбиваючись, радіохвиля може кілька разів обігнути земну кулю. Встановлено, що висота відображення залежить насамперед від довжини хвилі. Чим коротше хвиля, тим більшої висоті відбувається її відбиток і, отже, більше «мертва зона». Ця залежність правильна лише для короткохвильової частини діапазону (приблизно до 25–30 МГц). Для коротших хвиль іоносфера прозора. Хвилі пронизують її наскрізь і йдуть у космічний простір. З малюнка видно, що відбиток залежить тільки від частоти, а й від часу доби. Це з тим, що іоносфера іонізується сонячним випромінюванням і з настанням темряви поступово втрачає свою відбивну здатність. Ступінь іонізації також залежить від сонячної активності, яка змінюється протягом року та з року в рік за семирічним циклом. Відбивні шари іоносфери та поширення коротких хвиль залежно від частоти та часу доби [1]. Поширення коротких та ультракоротких хвиль [2]. Радіохвилі УКХ діапазону за властивостями більшою мірою нагадують світлові промені. Вонипрактично не відбиваються від іоносфери, дуже незначно огинають земну поверхню та поширюються в межах прямої видимості. Тому дальність дії ультракоротких хвиль невелика. Але в цьому є певна перевага для радіозв'язку. Оскільки в діапазоні УКХ хвилі поширюються в межах прямої видимості, то можна розташовувати радіостанції на відстані 150-200 км один від одного без взаємного впливу. А це дозволяє багаторазово використовувати ту саму частоту сусіднім станціям. Властивості радіохвиль діапазонів ДЦВ і 800 МГц ще більш близькі до світлових променів і тому мають ще одну цікаву і важливу властивість. Згадаймо, як влаштований ліхтарик. Світло від лампочки, розташованої у фокусі рефлектора, збирається у вузький пучок променів, який можна послати в будь-якому напрямку. Приблизно те саме можна зробити і з високочастотними радіохвилями. Можна їх збирати дзеркалами-антенами та посилати вузькими пучками. Для низькочастотних хвиль таку антену побудувати неможливо, тому що занадто великі були б її розміри (діаметр дзеркала має бути набагато більшим, ніж довжина хвилі). Можливість спрямованого випромінювання хвиль дозволяє підвищити ефективність системи зв'язку. Пов'язано це з тим, що вузький промінь забезпечує менше розсіювання енергії в побічних напрямках, що дозволяє застосовувати менш потужні передавачі для досягнення заданої дальності зв'язку. Спрямоване випромінювання створює менше перешкод для інших систем зв'язку, що знаходяться не в створі променя. При прийомі радіохвиль також можуть використовуватися переваги спрямованого випромінювання. Наприклад, багато хто знайомий з параболічними супутниковими антенами, що фокусують випромінювання супутникового передавача в точку, де встановлений приймальний датчик. Застосування спрямованих приймальних антен у радіоастрономіїдозволило зробити багато фундаментальних наукових відкриттів. Можливість фокусування високочастотних радіохвиль забезпечила їхнє широке застосування в радіолокації, радіорелейному зв'язку, супутниковому мовленні, бездротовій передачі даних тощо. Параболічні спрямовані антени [1]. Слід зазначити, що із зменшенням довжини хвилі зростає їх згасання і поглинання у атмосфері. Зокрема, на поширення хвиль коротше 1 см починають впливати такі явища як туман, дощ, хмари, які можуть стати серйозною перешкодою, що сильно обмежує дальність зв'язку. Ми з'ясували, що хвилі радіодіапазону мають різні властивості поширення, і кожна ділянка цього діапазону застосовується там, де найкраще можуть бути використані його переваги.