51. Распространенне электромагнитной энергии в пространстве
Электромагнитными (радио) волнами называется совокупность переменных электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве. Мгновенное значение силы электромагнитного поля в пространстве показано на рисунке 20, где:
- E — вектор электрического поля,
- H — вектор магнитного поля,
- р — вектор потока электромагнитной энергии, выражающий направление распространения радиоволн и мощность переносимой в пространстве энергии.
Эти векторы взаимно перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, что соответствует свойствам поперечных волн.
Поляризация радиоволн
- Вертикально-поляризованная радиоволна:
Вектор E перпендикулярен земной поверхности.
- Горизонтально-поляризованная волна:
Вектор E параллелен земной поверхности.
- Радиоволны с вращающейся поляризацией:
Векторы E и H вращаются вдоль оси распространения с определенной скоростью.
Скорость распространения радиоволн
Радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно с постоянной скоростью. Скорость распространения радиоволн в воздухе равна скорости света, которая составляет \( c \approx 3 \times 10^8 \) м/с.
Длина волны
Длина волны — это расстояние, которое проходит электромагнитная энергия за один период колебаний. Длина волны измеряется в метрах, дециметрах, сантиметрах или миллиметрах и обозначается символом \( \lambda \).
Период
Период \( T \) — это время, в течение которого периодически изменяющаяся величина проходит все изменения, после чего процесс повторяется. Период измеряется в секундах.
Частота
Частота \( f \) — это количество периодов, проходящих за одну секунду. Частота измеряется в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и мегагерцах (МГц):
- Герц (Гц): \( 1 \) Гц = \( 1 \) период в секунду.
- Килогерц (кГц): \( 1 \) кГц = \( 10^3 \) Гц = \( 1000 \) периодов в секунду.
- Мегагерц (МГц): \( 1 \) МГц = \( 10^6 \) Гц = \( 1 \) миллион периодов в секунду.
Зависимость частоты и длины волны
Между частотой \( f \) и длиной волны \( \lambda \) существует следующая зависимость:
\[
f \cdot \lambda = c
\]
где:
- \( f \) — частота,
- \( \lambda \) — длина волны,
- \( c \) — скорость света (или скорость распространения волны в среде), равная \( 3 \times 10^8 \) м/с.
Примеры расчета
1. Расчет длины волны:
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
Например, для частоты \( f = 1 \) МГц:
\[
\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8 \text{ м/с}}{1 \times 10^6 \text{ Гц}} = 300 \text{ м}
\]
2. Расчет частоты:
\[
f = \frac{c}{\lambda}
\]
Например, для длины волны \( \lambda = 10 \) см (или \( 0.1 \) м):
\[
f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8 \text{ м/с}}{0.1 \text{ м}} = 3 \times 10^9 \text{ Гц} = 3 \text{ ГГц}
\]
Эти формулы и зависимости позволяют легко пересчитывать параметры радиоволн, что является важным для проектирования и анализа радиотехнических систем.
--------
Вот таблица, которая показывает, как частоты радиоволн разделяются на диапазоны:
| Наименование диапазона | Длина волны | Частота |
| Длинные волны | 30000 м - 3000 м | 10 кГц - 100 кГц |
| Средние волны | 3000 м - 200 м | 100 кГц - 1 500 кГц |
| Промежуточные волны | 200 м - 50 м | 1 500 кГц - 6 000 кГц |
| Короткие волны | 50 м - 10 м | 6 000 кГц - 30 000 кГц |
| Ультракороткие волны | Короче 10 | Свыше 30 000кГц |
| метровые | 10 - 1 | 30 - 300 МГц |
| дециметровые | 1 - 0,1 | 300 - 3 000 МГц |
| сантиметровые | 0,1 - 0,01 | 3 000 МГц - 30 000 МГц |
| миллиметровые | 0,01 - 0,001 | 30 000 МГц - 300 000 МГц |
Отражение радиоволн
Отражение радиоволн происходит на границе двух сред с разными параметрами. Особенно сильное отражение наблюдается, если вторая среда имеет хорошую проводимость (например, металл или вода).
Преломление (рефракция)
Преломление — это изменение направления радиоволн при переходе из одной среды в другую. Если поверхность границы раздела двух сред значительно больше длины волны, то отражение и преломление радиоволн происходят по законам оптики.
Дифракция
Дифракция — это способность радиоволн огибать земную поверхность и ее неровности. Чем длиннее радиоволны, тем сильнее проявляется это свойство. Вследствие дифракции радиоволн возможна радиосвязь на значительные расстояния.
Влияние атмосферы на распространение радиоволн
На высоте 80—400 км над землей находятся ионизированные слои атмосферы (ионосфера). Состояние ионосферы (высота и степень ионизации) зависит от времени суток и солнечной активности.
Поглощение и искривление радиоволн: В ионосфере энергия радиоволн поглощается, а траектория луча искривляется за счет изменения диэлектрической проницаемости по высоте атмосферы. Поглощение и искривление радиоволн в ионосфере зависят в значительной степени от длины радиоволны.
Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
Радиоволны, излучаемые антенной радиостанции, распространяются во все стороны. Часть энергии распространяется вдоль поверхности земли (земным лучом), часть энергии распространяется в направлении ионосферы (пространственным лучом).
1. Длинные волны:
- Распространяются вдоль поверхности земли с минимальным затуханием.
- В ионосфере поглощаются и сильно преломляются.
- Связь осуществляется преимущественно земным лучом.
2. Средние волны:
- Днем распространяются только земным лучом, так как пространственный луч поглощается ионосферой.
- Ночью могут распространяться как поверхностным, так и пространственным лучом.
3. Короткие волны:
- Распространяются преимущественно пространственным лучом.
4. Ультракороткие волны (УКВ)
Ультракороткие волны (УКВ) относятся к диапазону частот от 300 МГц до 3 ГГц. Этот диапазон частот используется для различных приложений, включая радиосвязь, телевидение, радиолокацию и другие виды связи.
Ультракороткие волны (УКВ) не отражаются от ионизированных слоев атмосферы (ионосферы) и распространяются только прямолинейно. Дальность связи ограничивается прямой видимостью.
Максимальная дальность прямой видимости
Максимальная дальность прямой видимости определяется формулой:
\[
Д_{max} = 110 (\sqrt{H} + \sqrt{h})
\]
где:
- \( Д_{max} \) — максимальная дальность прямой видимости, км;
- \( H \) — высота полета самолета, км;
- \( h \) — высота антенны наземной радиостанции, км.
Пример расчета
Для примера, рассчитаем максимальную дальность прямой видимости для самолета, летящего на высоте \( H = 10 \) км, и наземной радиостанции с антенной высотой \( h = 50 \) м (или \( 0.05 \) км).
Подставим значения в формулу:
\[
Д_{max} = 110 ( \sqrt{10} + \sqrt{0.05} ) = 372,45
\]
Таким образом, максимальная дальность прямой видимости для данного примера составляет примерно 372,45 км.
---
Ультракороткие волны (УКВ) используются для связи на короткие и средние расстояния, где требуется прямая видимость между передатчиком и приемником. Формула для расчета максимальной дальности прямой видимости позволяет определить, на каком расстоянии можно обеспечить связь при заданных высотах полета самолета и антенны наземной радиостанции.
- 45