Урок 2.1 Радиоволны. Распределение частот в эфире

radio_wave7 a FВ Уроке 1.5 мы уже знакомились с переменным током и напряжением.

Основными характеристиками переменного тока и напряжения являются амплитуда, частота и фаза. Мы говорили о переменном токе частотой 50 Гц, который используется в энергетике.

Но существуют в природе и на практике широко применяются токи и напряжения других частот.

Из физики известно, что вокруг провода с током существует электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света (С) и составляет 300 000 километров в секунду, или 3 х 108 метра в секунду. Основной принцип распространения электромагнитного поля заключается в том, что всякое изменяющееся электрическое поле (Е) вызывает появление изменяющегося магнитного поля (Н) сдвинутого относительно него в пространстве и во времени. Изменяющееся магнитное поле в свою очередь  вызывает появление изменяющегося электрического поля также сдвинутого уже относительно него в пространстве и во времени.

Электрическое и магнитное поле имеет амплитуду и направление, поэтому их удобно условно отображать векторами.

Векторы электрического и магнитного поле взаимно перпендикулярны.

E H

Направление распространения энергии электромагнитного поля перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектор электрического и магнитного поля и определяется вектором Умова-Пойтинга (Р).

E H P

При характеристике и анализе колебаний электромагнитного поля кроме амплитуды, частоты и фазы используют еще такую величину как «длина волны», обозначается λ (лямбда).

Чтобы определить длину волны в метрах, нужно скорость света С = 3 х 108 м/сек разделить на частоту в Герцах.

λ (м) = С (м/сек) / f (Гц)

Чем выше частота, тем меньше длина волны.

Токи и напряжения более высоких частот вырабатываются уже не механическими генераторами, как в энергетике, а электронными генераторами или другими не механическими способами. При этом вырабатываемые токи и напряжения часто называют колебаниями.

В зависимости от частоты эти колебания ведут себя по – разному, и соответственно используются на практике по – разному.

Например, электромагнитные колебания выше 3 кГц способны распространяться в свободном пространстве на значительные расстояния, и их называют радиоволнами, иногда просто волны. Именно к радиоволнам в качестве характеристики используют выше приведенную нами величину «длина волны». Вот как выглядит условная картинка распространения радиоволн:

E H P гЧто мы здесь видим? Векторы электрического (Е) и магнитного (Н) полей меняются по амплитуде с частотой  f = 1/λ, при этом они всегда взаимно перпендикулярны. Направление распространения энергии (волны) указано вектором (Р), который перпендикулярен плоскости векторов Е и Н. Если вектор электрического поля Е расположен вертикально, то имеет место вертикальная поляризация, если он расположен горизонтально — то горизонтальная. Поляризация определяется положением передающей антенны. Это очень важно при настройке приемной антенны.

 

Колебания выше 300 ГГц называют излучением. Для наглядности ниже на графике изображено, как изменяются свойства колебаний в зависимости от частоты:

График частот 1v

График дает приблизительную картину, а в таблице приведены более точные значения распределения частот в конкретных примерах:

№ п/п Частота Длина волны Название Область применения
1 50 Гц, 60 Гц, 100 Гц, 400 Гц Энергетика Как источник електроэнергии
2 До 20 кГц Звуковые волны Звуки, речь, воспринимается человеком на слух
3 (3 – 30) кГц Более

10 км

Сверхдлинные волны Радионавигация, специальные частоты
4 (30 — 300) кГц (10 – 1) км Длинные волны Радионавигация, радиовещание
5 300 кГц –

3 МГц

1 км –

100 м

Средние волны Радиовещание, спецсвязь, навигация
6 (3 — 30) МГц 100 м –

10 м

Короткие волны Радиовещание, радиолюбители, спецсвязь
7 (30 — 300) МГЦ 10 м – 1 м Метровые волны Радиовещание, телевидение, радиолокация, спец частоты
8 300 МГц –

3 ГГц

1 м — 0,1 м Дециметровые волны Телевидение, космос, навигация, спец частоты, мобильная связь, 3G
9 (3 — 300) ГГц 10 см –

0,1 см

Сантиметровые волны Спутниковое вещание, радиолокация, космос, радиоастрономия
10 300 ГГц – 429 ТГц 1 мм –

780 нм

Инфракрасное излучение Испускают нагретые тела
11 429 ТГц –

750 ТГц

 

(780 – 380) нм Видимое оптическое излучение Излучение атомов и молекул при тепловых и электрических воздействиях
12 7,5х1014 Гц —

3х1016 Гц

(380 – 10) нм Ультрафиолетовое излучение Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов
13 3х1016 Гц –

6х1019 Гц

10 нм – 5х10-3 нм Рентгеновское излучение Излучение при бомбардировке быстрыми электронами
14 Более

6х1019 Гц

Менее

5х10-3 нм

Радиоактивный распад Космические и ядерные процессы

 

 

Способ распространения радиоволн в свободном пространстве зависит от частоты (длины волны).

Заставка

Например, метровые и более длинные волны при распространении огибают препятствия.

Дециметровые и более короткие волны распространяются прямолинейно, как луч света, и отражаются от препятствий, находящихся на их пути. Предел их распространения ограничен горизонтом. Для более дальнего распространения нужно поднимать антенны, или ставить ретрансляторы. Дальность распространения для этих волн определяется формулой:

дальность форм

Для длинных и сверхдлинных волн нужны очень мощные передатчики при работе на большие расстояния.

Короткие волны, даже при небольших мощностях передатчиков (десятки ватт), могут распространяться вокруг земного шара. Это, так называемый эффект Кабанова, когда волны отражаются от земли и ионосферы. При пере отражении они распространяются как в волноводе между Землей и ионосферой. Так как состояние ионосферы зависит от солнечной активности, а также других явлений, то и угол отражения этих волн сильно изменяется. Поэтому на коротких волнах мы слышим частые затухания, а иногда и полные пропадания сигнала.

Для сантиметровых волн, например, спутниковый сигнал, даже мокрая листва деревьев, непреодолимое препятствие. Многие замечали, как в дождь или тем более снег, портится, а то и совсем пропадает сигнал от спутника.

Для передачи сигналов высокой частоты между антенной и устройством нужны специальные экранированные кабели. При использовании обычных проводов сигнал ослабнет или вообще не будет передан. Дело в том, что если использовать обычные провода, то энергия высокочастотных колебаний перейдет в энергию электромагнитного поля не достигнув антенны.

РК кабели

На сантиметровых волнах и более коротких вместо специальных экранированных кабелей используют волноводы. Это специальные металлические трубы прямоугольного или круглого сечения строго определенных размеров и длины. Их цель донести энергию от устройства до антенны (если работает передатчик) и обратно (если работает приемник) с минимальными потерями.

Волноводы

На еще более высоких частотах используют оптоволоконные кабели.

Оптоволоконный кабель 1

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *