Ученые придумали новый способ расчета распространения радиоволн
«Разработанный метод и созданный комплекс программ могут стать эффективным инструментом в моделировании поиска радиоволн, направленных от излучателя к приемнику, с поверхности Земли, ракет или космических аппаратов. Метод возможно применять для оптических исследований, при решении задач радиосвязи и навигации спутниковых систем, а также для расчета сейсмических и океанических волн», – отмечает один из исследоваталелей, младший научный сотрудник Калининградского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова РАН Игорь Носиков.
Ионосфера — часть атмосферы на высотах 50–300 километров, где много ионизированных частиц: электроны отрываются от молекул и атомов под действием ультрафиолета, рентгеновских лучей и прилетающих от Солнца протонов. На нее постоянно влияют радиация Солнца, возмущения магнитного поля Земли и атмосферные процессы, что приводит к изменениям в ионосфере и формированию разных по размеру неоднородностей. Наиболее ярко это может проявиться, например, во время северных сияний или потеплений стратосферы над Арктикой.
Для мониторинга ионосферы и связи на больших расстояниях используют высокочастотные радиоволны и компьютерные модели для их расчета. Именно их распространение в ионосфере становится определяющим фактором при выборе характеристик приемо-передающих устройств: радиочастот, параметров антенны и прочего. Проблема расчета радиолучей в аналитически заданной ионосфере — не настолько сложная вычислительная задача, однако на пути распространения радиоволны могут встретиться непредвиденные препятствия, например те же неоднородности. Таким образом, проблема отслеживания траекторий радиолучей возникает, когда необходимо найти соответствующие пути радиосвязи между передатчиком и приемником в трехмерно-неоднородной ионосфере.
«Фундаментальное значение разработки нашего метода мы связываем с теоретическими аспектами распространения электромагнитных волн в неоднородных средах. Большую роль он должен сыграть в интерпретации данных вертикального и наклонного зондирования ионосферы, — считает старший научный сотрудник КФ ИЗИМРАН Максим Клименко. — На данный момент одним из средств проверки разрабатываемых теорий и важнейшим прикладным инструментом является численное моделирование, то есть создание математической модели».
Поддержанные грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда исследователи поставили задачу совершенствовать и искать новые эффективные способы численного моделирования того, как распространяются радиоволны. Разработанный метод отличается от более ранних подходов строгой фиксацией положений передатчика и приемника, а также возможностью избирательно определять разные типы радиолучей.
Последнее позволило создать эффективный метод глобального нахождения траекторий лучей, где они идентифицируются один за другим. В качестве способа решения выступает алгоритм прямой оптимизации, и не требуется работа со сложными вариационными и бихарактеристическими уравнениями. Для различных типов лучей применяют разные способы вычислений, поэтому удается отделить их друг от друга. Это упрощает задачу поиска конкретной радиоволны среди множества остальных.
«Как радиоволны распространяются в вакууме?» – Яндекс.Кью
Вот интерпретация двух из четырех уравнений Максвелла, определяющая рождение и распространение электромагнитной (ЭМ) волны:
- Всякое изменение магнитного поля (B) порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (E), силовые линии которого замкнуты.
- Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Простейший рисунок, иллюстрирующий рождение и распространение ЭМ волны, приведен ниже, где каждая пара векторов (Е, B) рождается одновременно, перпендикулярно друг к другу и перпендикулярно направлению движения волны V.
Вот более реальная 3-х мерная картинка эволюции и распространения ЭМ волны, где для наглядности магнитная компонента поля искусственно сдвинута вниз вдоль пунктирных линий, а желтая полоса — излучатель электрического поля (антенна).
А этот рисунок показывает изменение амплитуд векторов электрического и магнитного полей в процессе распространения ЭМ волны в 3-мерном пространстве.
Надо учесть, что приведённые (или любые другие) рисунки лишь приближенно и грубо описывают реальное рождение и распространение ЭМ волны, точное описание которых задаётся только уравнениями Максвелла.
А теперь можно и ответить на вопрос о распространении ЭМ волны в вакууме. Именно в вакууме распространение ЭМ волны происходит с максимально возможной скоростью, предоставленной природой, c ≈ 300000 км/сек. Определяется это опять из уравнений Максвелла, где скорость света зависит от поляризационных свойств среды: c = 1/√(ε₀μ₀), где ε₀ и μ₀ − электрическая и магнитная проницаемости вакуума, определяющие его динамические поляризационные свойства. Дело в том, что любая среда (и ваше тело тоже) противодействует прохождению чего-либо постороннего сквозь неё. Исходя из квантовой физики, вакуум не является исключением. В среднем он нейтрален и пуст, но из принципа неопределенности следует, что в интервалах очень малых времен, Δt → 0, в вакууме рождаются и исчезают виртуальные пары заряженных частиц (е⁺е⁻), поляризующих вакуум на время Δt. Именно поляризационные свойства вакуума и определяют скорость света. Если бы поляризации вакуума не было бы вообще (ε₀=0, μ₀=0), скорость света была бы бесконечной. Если бы эта поляризация отличалась от известных на сегодня значений, то Вселенная была бы другой, и скорее всего нас не было бы там (см.
Антропный принцип ).
Как следует из уравнений Максвелла, движение ЭМ волны в веществе (воздух, вода, металл, плазма) происходит с меньшей скоростью, из-за дополнительных поляризационных свойств вещества (ε, μ), и равна: c = 1/√(εε₀μμ₀), где ε >1 и μ >1 — относительные электрическая и магнитная проницаемости вещества. Есть еще одна точка зрения, которая предполагает, что на самом деле скорость света в веществе остается постоянной (равной скорости в вакууме) и «видимое» уменьшение его значения, связано задержкой времени на переизлучения парциальных ЭМ волн зарядами (электронами, ионами) внутри вещества. Лично мне импонирует последняя интерпретация. Хочется чего-то постоянного в этой жизни.
Научно-образовательный портал ТУСУР | Электродинамика и распространение радиоволн: Учебно-методическое пособие / Шостак А. С. — 2018. 120 с.
1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН [1-4] 5
1.1 Классификация радиоволн по диапазонам 5
1.2 Краткая характеристика радиотрасс 6
1.3 Электродинамические свойства природных сред 8
1.5 Распространение радиоволн в свободном пространстве 18
1.6 Особенности распространения радиоволн на реальных трассах 20
1.7 Область пространства, существенно участвующая в формировании поля на заданной линии 23
2 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗЕМНОЙ ВОЛНЫ [1-4] 27
2.1 Физические процессы при распространении земной волны 27
2.2 Поле излучателя в освещенной зоне в приближении плоской Земли [2] 30
2.2.1 Интерференционный множитель с учетом сферичности Земли 33
2.3 Поле низко расположенного излучателя в зоне приближения плоской Земли 34
2.4 Поле в зонах полутени и тени при высоко поднятых и низко расположенных излучателях 36
3 РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ [1,2] 39
3.
1 Электрические свойства тропосферы и ионосферы 39
3.1.1 Распределение заряженных частиц в ионосфере 39
3.1.2 Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы 41
3.1.3 Диэлектрические свойства тропосферы 45
3.2 Преломление радиоволн 48
3.2.1 Общий подход к вопросам распространения радиоволн в атмосфере 48
3.2.2 Траектория волны. Радиус кривизны траектории 49
3.2.3 Траектория радиоволн в ионосфере 54
4 ДИАПАЗОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН [1, 2] 58
4.1 Распространение сверхдлинных и длинных радиоволн 58
4.2 Особенности распространения средних волн 59
4.3 Распространение коротких волн 59
4.4 Распространение ультракоротких волн на наземных радиолиниях 63
5 РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН НА КОСМИЧЕСКИХ РАДИОЛИНИЯХ 70
5.1 Особенности спутниковой связи 70
5.2 Потери в тракте распространения 71
5.3 Энергетические соотношения на космических радиолиниях 74
5.4 Особенности распространения волн оптического диапазона 76
5.4.1 Общие вопросы распространения волн оптического диапазона 76
5.4.2 Ослабление волн оптического диапазона в атмосфере 76
5.4.3 Нелинейные эффекты в атмосфере при распространении лазерного излучения 79
6 ЗАДАЧИ. РАДИОВОЛНЫ В МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕДАХ 81
6.1 Основные формулы 81
6.2 Примеры решения типовых задач 84
6.3 Задачи для самостоятельного решения 87
7 ЗАДАЧИ. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ 91
7.1 Основные формулы 91
7.2 Примеры решения типовых задач 101
7.3 Задачи для самостоятельного решения 106
8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО КУРСУ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН 112
Тема 1.
Элементы векторного анализа 112
Тема 2. Основные положения теории электромагнетизма 113
Тема 3. Уравнения Максвелла 113
Тема 4. Плоские электромагнитные волны 115
Тема 5. Граничные условия для векторов электромагнитного поля 116
Тема 6. Радиоволны в материальных средах 117
Тема 7. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов 118
9. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 119
Лаборатория распространения радиоволн – НИИПФ ИГУ
Исследования в области распространения радиоволн в Иркутском госуниверситете были начаты в 1967 г. под руководством профессора В. М. Полякова на кафедре радиофизики. При образовании НИИ прикладной физики в 1969 г. коллектив, занимавшийся распространением радиоволн, сформировал костяк лаборатории распространения радиоволн. Лабораторию возглавляли Семеней Ю. А. (1969-1972 гг.), Розов В. Н. (1972-1975 гг.) и Тинин М. В. (с 1975 г. по настоящее время)
На первых порах тематика лаборатории определялась, в основном, выполняемыми крупными хоздоговорами в интересах отраслевых министерств. Для проведения экспериментальных исследований собственными силами был создан выносной радиофизический полигон в живописной Тункинской долине. На этом полигоне был проведен ряд уникальных исследований характеристик ионосферных радиоволн на трассах различной (включая кругосветные) радиотрассах. (В настоящее время на этом полигоне отдел элементарных частиц и нейтринной астрофизики ведет исследования в области гамма-астрофизики). Кроме экспериментальных велись теоретические работы по разработке методов расчетов характеристик ионосферных радиоволн и исследования аномальных механизмов распространения радиоволн с помощью численного моделирования.
В настоящее время исследования ведутся под руководством профессоров Тинина М.В., Иванова В.Б. и Сажина В.И. по следующим направлениям.
Ниже приводится ряд результатов, полученных в последнее время.
1) С помощью двойного взвешенного Фурье-преобразования (ДВФП) одновременно по координатам источника и наблюдателя в малоугловом приближении получено интегральное представление для поля волны, распространяющейся в многомасштабной неоднородной среде. Это представление согласуется с геометрооптическим приближением, методом плавных возмущений и методом фазового экрана в областях их применимости. Путем сравнения результатов ДВФП и метода путевых интегралов, показано, что условие применимости ДВФП для неоднородных сред небольшой протяженности практически совпадает с условием малоуглового приближения.
2) Предложен метод обработки результатов томографических измерений, основанный на обратном двойном (по координатам источника и наблюдателя) взвешенном преобразовании Фурье (ДВФП). С помощью численного моделирования показано, что при достаточно больших размерах антенн и малом интервале дискретности можно получить сверхфренелевское разрешение при значительно больших вариациях фазы, чем это допустимо в рамках борновского и рытовского алгоритмов.
3) Для уменьшения амплитудных флуктуаций (амплитудных мерцаний) при распространении волны в случайно неоднородной среде, предложено использовать пространственную обработку поля волны на базе обратного ДВФП. Показано, что эффективность уменьшения амплитудных флуктуаций с помощью обратного ДВФП определяется превышением размеров веерных проекций приемной и передающей антенных систем над радиусом Френеля в области расположения неоднородности.
4) C помощью численного моделирования показано, что эффекты многолучёвости при распространении волны в неоднородной среде устраняются после пространственной обработки, основанной на обратном ДВФП.
5) Исследовано влияние случайных ионосферных неоднородностей на точность измерений с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). С помощью численного моделирования исследована зависимость вероятности возникновения срыва сопровождения фазы несущей сигнала ГНСС от взаимной ориентации луча «спутник-приемник» и магнитоориентированных неоднородностей (см.
Рис), представлены рекомендации по извлечению из количественных характеристик сбоев сопровождения фазы сигнала ГНСС информации о степени вытянутости магнитоориентированных неоднородностей.
6) Показано, что уменьшение вклада случайных ионосферных неоднородностей в ошибку измерений многочастотных ГНСС затрудняется дифракционными эффектами при распространении сигнала через турбулентную ионосферную плазму с внутренним масштабом меньше радиуса Френеля. Показана возможность уменьшения ионосферной ошибки многочастотных ГНСС измерений путем устранения дифракционных эффектов с помощью пространственной обработки в виде Френелевской инверсии. Показано также, что при такой пространственной обработке для выбора основного параметра Френелевской инверсии – расстояния виртуального экрана до наблюдателя, можно использовать близость значений этого параметра, при которых достигаются минимумы дисперсии остаточной ошибки и амплитудного индекса мерцания.
7) Показана возможность устранения ионосферной ошибки второго порядка, связанной с геомагнитным полем, путем модификации коэффициентов в “свободной от ионосферы” комбинации ГНСС измерений на двух частотах. Показаны допустимость приближений, лежащих в основе такой модификации, и слабая зависимость результатов от точности априори заданных параметров ионосферного слоя. Распределение (в мм) остаточной ошибки по земному шару для угла возвышения 100 и азимута 100
8) С помощью фоковского метода собственного времени (пятого параметра) ДВФП модель распространена на случай отражения волны от ионосферного слоя с неоднородностями. Для слоя с линейным профилем диэлектрической проницаемости показан переход полученных результатов в известное строгое решение в отсутствие неоднородностей. Для слабых неоднородностей ДВФП модель переходит в модель однократного рассеяния.
Группа Иванова В.Б. ведет исследования возможностей повышения точности и информативности спутниковых радионавигационных систем и имеет в этой области следующие достижения.
1) На основе большого опыта в области математического моделирования ионосферных параметров, основанного профессором В.М. Поляковым, была разработана модель полного электронного содержания ионосферы, ориентированная на практическое использование в наземной радионавигационной одночастотной аппаратуре с целью компенсации дополнительного запаздывания спутниковых радиосигналов в ионосфере – модель GEMTEC. В результате массового тестирования модели было показано, что ее использование существенно снижает средние ошибки позиционирования по сравнению со стандартной методикой на основе модели Клобучара.
2) Анализ временных вариаций ошибок позиционирования выявил важную особенность, заключающуюся в повторяемости суточного хода ошибок в двух соседних сутках. На основе использования этой особенности был разработан дифференциально-временной режим работы радионавигационных систем, также обеспечивающий существенное повышение точности позиционирования. Тестирование режима показало уменьшение средних ошибок примерно вдвое.
3) Была изучена возможность применения недорогой и широко распространенной одночастотной навигационной аппаратуры для регистрации нерегулярных явлений в ионосфере. Было показано, что, несмотря на заметно худшую точность одночастотных измерений по сравнению с двухчастотными, первые, при соответствующей обработке позволяют определять как качественные, так и количественные характеристики таких ионосферных эффектов, как реакции на солнечные затмения, мощные землетрясения, падения крупных метеоритов.
Группой Сажина В.И. развивались методы адаптации параметров ионосферного радиоканала к текущей ситуации на основе коррекции модели ионосферы по оперативной информации, получаемой из радиофизических измерений. Кроме данных специализированных экспериментов, использовались данные, получаемые в результате широкодоступных наблюдений за сигналами произвольных радиостанций (радиомаяков, вещательных станций), определяемых как реперные.
В настоящее время проводится разработка метода, использующего для локальной коррекции модели ионосферы данные измерений ионосферного запаздывания сигналов ГНСС на одночастотных приемниках. Скорректированная модель может использоваться в ряде задач ионосферного зондирования и для повышения точности решения навигационной задачи одночастотными приемниками.
Лаборатория является базой для научной работы сотрудников и аспирантов кафедры радиофизики и для выполнения курсовых и дипломных работ студентов-радиофизиков. В лаборатории защищено 18 кандидатских и 4 докторских диссертации.
Статья: Распространение радиоволн или от чего зависит дальность радиосвязи
РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ИЛИ ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ДАЛЬНОСТЬ РАДИОСВЯЗИ.
Техника радиосвязи с момента изобретения радио непрерывно совершенствовалась, и в настоящее время радиостанция является достаточно сложным устройством, обеспечивая в большинстве случаев предельно достижимые характеристики, поэтому качества радиосвязи, и прежде всего дальность, определяются параметрами радиолинии, а также высотой установки антенн. Для любого вида связи, в том числе и для радиосвязи, предельная дальность определяется потерями сигнала на линии и относительной величиной уровня помех.
Сначала определим, от чего зависят потери на радиолинии. Электрический сигнал от передатчика подается к передающей антенне, где преобразуется в электромагнитные волны (радиоволны). Эти волны проходят через пространство от передающей к приемной антенне и там преобразуются в электрический сигнал.
При излучении мощность электромагнитных волн сигнала распределяется над участком пространства между передающей и приемной антеннами. Препятствия на линии прямой видимости этого участка могут поглощать часть мощности волны , что приводит к сокращению мощности волны в приемной антенне. Чем больше расстояние (пространство) до приемной антенны и чем больше препятствий по пути распространения сигнала, тем меньше его мощность в приемной антенне.
Рассмотрим равномерно излучающую по всем направлениям антенну, расположенную в свободном пространстве. Тогда на расстоянии R мощность, излучаемая антенной, равномерно распределится на поверхность сферы с радиусом R.
Если же передающая антенна является направленной, то за счет перераспределения мощности в пользу направления излучения она обладает коэффициентом усиления G, который является важной характеристикой антенны.
Площадь, с которой антенна собирает принимаемое излучение, называется эффективной площадью антенны. Чем больше ее эффективная площадь, тем выше коэффициент усиления и тем более сильный сигнал получается на ее выходе.
Повысить мощность принятого антенной сигнала можно, увеличив мощность передатчика , его излучающего. Но для радиосетей мощность портативных (носимых) радиостанций не может превышать 4-5 Вт. Это обусловлено, с одной стороны, ограниченными возможностями аккумулятора радиостанции, а с другой — действующими нормами безопасного для человека радиоизлучения. Остается только путь повышения чувствительности приемника. Ее целесообразно повышать до тех пор, пока внешние шумы и помехи не превысят внутренние шумы приемника. В реальных условиях существуют помехи от телевизионных, радиовещательных, сотовых и других передатчиков по так называемым комбинационным каналам. Также существуют импульсные помехи от систем зажигания автомобилей, коллекторных электродвигателей, контактных проводов трамваев и троллейбусов и т. п. Следует отметить, что в условиях распространения радиоволн над морской поверхностью или равнинной местностью из-за естественной дифракции дальность связи будет больше.
В условиях земной поверхности, если рассматривать только распространение в пределах прямой видимости (а надежная связь в УКВ-диапазоне возможна только этом случае), дальность ограничивается линией горизонта (из-за сферической формы земной поверхности). В этом случае важна высота установки передающей и приемной антенн.
Реальная дальность в значительной степени определяется рельефом местности.
Для организации радиосвязи обычно используются длинные волны (ДВ), средние волны (СВ), короткие волны (КВ), ультракороткие волны (УКВ). ДВ и СВ способны огибать поверхность, КВ-отражаться от ионосферы, а УКВ называют связью прямой видимости. Для профессиональной радиосвязи используется диапазон УКВ.
Использование коротковолнового диапазона актуально для связи труднодоступными районами и зонами, где нет сетей УКВ – связи. Важное значение коротковолновая связь имеет для организации аварийной связи, т. к. коротковолновые радиостанции способны работать без инфраструктуры, в отличии от транкинговых и сотовых систем .Это позволяет успешно применять коротковолновую связь в зонах стихийных и техногенных катастроф независимо от наличия и функционирования других систем связи.
Сложность установления связи и определенные неудобства пользования коротковолновой связью обусловлены особенностями распространения коротких волн. Дальнее распространение этих волн обусловлено их переотражением от ионосферы и земной поверхности. Однако состояние ионосферы зависит от времени суток, сезона, солнечной активности и других условий. Поэтому связь на КВ требует в зависимости от условий распространения выбора соответствующего диапазон частот, параметров антенной системы и мощности передатчика. Но даже с учетом такого выбора качество связи нестабильно во времени. Особо следует подчеркнуть важность качества антенно-фидерных устройств (АФУ) и их профессиональной установки, т.к. это является определяющим условием наличия и надежности связи.
В таблице даны диапазоны частот для систем профессиональной подвижной радиосвязи.
| Диапазон частот, МГц | Обозначение диапазона |
| 30-56 | LB (Low Band) |
| 136-174 | VHF |
| 400-512 | UHF |
| 300-345 | 300 MHz, UHF 300 MHz |
| 800 |
Назад в раздел
Распространение радиоволн
Радиоволны — электромагнитные волны, используемые для радиосвязи.
Распространение радиоволн — это процессы распространения электромагнитных волн в диапазоне радиочастот.
При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Форма и физические свойства земной поверхности, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.
Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемых им.
Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).
Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны.
Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).
Короткие волны (10 м ≤ λ ≤ 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.
Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой.
Все же наиболее надежная радиосвязь на ограниченных расстояниях при достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на длинных волнах.
Ультракороткие радиоволны (λ проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.
Другие заметки по физике
Введение
Введение Введение (КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН ПО ДИАПАЗОНАМ ЧАСТОТ И СПОСОБУ РАСПРОСТРАНЕНИЯ)Каждая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена — соединяющей линии. В радиолинии роль промежуточного звена выполняет среда, пространство, в котором распространяются радиоволны. В реферате рассматривается распространение радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат поверхность и атмосфера Земли или космическое пространство. Среда является тем звеном в радиолинии, которое практически не поддается управлению. В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно со скоростью м/с и не испытывают поглощения.
Влияние среды на распространение радиоволн проявляется в изменении (большей частью уменьшении) амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации волны, в искажении передаваемых сигналов. В связи с этим при исследовании распространения радиоволн возникают следующие основные задачи:
расчет энергетических параметров радиолинии—выбор мощности передающего устройства или определение мощности сигнала на входе приемного устройства; определение оптимальной рабочей волны при заданных условиях распространения определение истинной скорости и истинного направления прихода сигнала;
изучение возможных искажений передаваемого сигнала
и разработка мер по их устранению.
Для решения этих задач необходимо изучать электрические свойства поверхности и атмосферы Земли и космического пространства, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн.
Условия распространения радиоволн по естественным трассам определяются многими факторами, так что полный их анализ оказывается слишком сложным. Поэтому в каждом конкретном случае строят модель трассы распространения радиоволн, выделяя те факторы, которые оказывают основное воздействие.
Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферичность земной поверхности (средний радиус земного шара равен 6370 км) препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными радиоволнами.
При теоретическом рассмотрении условий распространения земных радиоволн атмосферу считают сначала непоглощающей средой с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, равными единице, а затем вносят необходимые поправки.
В окружающей земной шар атмосфере
различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн:
тропосферу и ионосферу. Тропосферой называется приземная область атмосферы,
простирающаяся до высоты примерно 10—15
км. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль
земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при
изменении метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение
земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных
волн. Распространение тропосферных
волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной
тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей
тропосферы.
Ионосферой называется область атмосферы, начинающаяся от высоты
50—80 км и простирающаяся примерно до
10000 км над поверхностью Земли. В этой области
плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число
свободных электронов (примерно
электронов в 1
воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические
свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы.
Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны
распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны
могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной
средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность
распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны,
распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем
называть ионосферными волнами. На условия распространения ионосферных волн
свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.
За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3—4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2—20 эл/. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.
К радиоволнам относят электромагнитные колебания,
длина волны которых лежит в пределах от
до
м, что соответствует частотам колебаний от15
до
МГц.
В зависимости от длины
рабочей волны влияние одной и той же среды проявляется в большей или меньшей
степени.
В связи с этим для удобства выбора модели трассы электромагнитные
волны делят; на диапазоны, как указано в табл. 1.
Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но
на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.
Таблица 1.
Распределение электромагнитных волн по диапазонам
| Диапазон | Длина волны в свободном пространстве, м | Частота, МГц | Область применения |
| Сверх длинные волны (СДВ) | 100 000-10 000 | 3e-3 — 3e-2 | Радионавигация, радиотелеграфная связь, метеослужба |
| Длинные волны (ДВ) | 10000-1000 | 3e-2 — 3e-1 | Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация |
| Средние волны (СВ) | 1000-100 | 3e-1 — 3 | Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация |
| Короткие волны (КВ) | 100-10 | 3 — 30 | Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радиолюбительская связь |
| Ультракороткие волны (УКВ): метровые дециметровые сантиметровые миллиметровые | 10-0.001 10-1 1-0.1 0.1-0.01 0.01-0.001 | 30 — 3e5 30 — 300 300 — 3000 3000-30000 3e4 — 3e5 |
Радиовещание, телевидение, радиолокация, космическая
радиосвязь, радиолюбительская связь
Телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, космическая
радиосвязь
Радиолокация, радиорелейная связь, космическая радиосвязь
Радионавигация и т. д.
|
| Волны оптического диапазона: инфракрасные видимые и световые ультрафиолетовые | 1e-3 — 7,5e-7 7,5e-7 — 4e-7 4e-7 — 20e-10 | 3e5-4e8 4e8-7,5e8 7,5e8-15e10 | Квантовая радиоэлектроника, пассивная и активная радиолокация |
Радиоволны — Распространение радиоволн — Поверхность, Земля, Ионосфера и Земля
Радиоволны распространяются по трем различным маршрутам от точки распространения до точки обнаружения. Эти три маршрута проходят через тропосферу, землю и отражаются от ионосферы. Первый из этих маршрутов самый прямой. Радиоволна, генерируемая и передаваемая из точки A, может проходить по относительно прямой линии через нижние слои атмосферы во вторую точку B, где ее присутствие может быть обнаружено приемником.Это распространение «прямой видимости» похоже на передачу луча света из одной точки в другую на поверхности Земли. И, как и в случае со светом, эта форма распространения радиоволн ограничена кривизной поверхности Земли.
Это описание, однако, излишне упрощено. Радиоволны по-разному отклоняются при движении через тропосферу. Например, они могут отражаться, преломляться или дифрагировать молекулами воздуха, через которые они проходят. Как следствие, радиоволны могут фактически выходить за пределы оптического горизонта Земли и до некоторой степени следовать за кривизной Земли.
Передача в прямой видимости приобрела новое измерение с изобретением спутников связи. Сегодня радиоволна может быть нацелена на орбитальный спутник , движущийся в верхних слоях атмосферы. Затем этот спутник может ретранслировать сигнал обратно на поверхность Земли, где он может быть получен несколькими приемными станциями.
Спутники связи бывают двух типов. Один из них, пассивный спутник, просто обеспечивает поверхность, от которой может отражаться радиоволна.Другой тип, активный спутник, принимает сигнал, полученный с поверхности Земли, усиливает его, а затем ретранслирует его на наземные приемные станции.
Поскольку радиоволны распространяются во всех направлениях от передающей антенны , некоторые из них могут отражаться от земли к приемной антенне, где они могут быть обнаружены. Такие волны также могут передаваться по поверхности Земли в форме, известной как поверхностные волны. Радиоволны, передача которых происходит от поверхности Земли, могут быть изменены из-за изменения условий почвы, таких как неровности поверхности или количество влаги в земле.
Наконец, радиоволны могут передаваться путем отражения от ионосферы. Когда волны с частотами примерно до 25 мегагерц (иногда выше) проецируются в небо, они отражаются от области ионосферы, известной как E-слой. Слой E представляет собой область с высокой электронной плотностью , расположенную на высоте около 50 миль (80 км) над поверхностью Земли. Некоторое отражение происходит также от F-слоя ионосферы, расположенного на высоте около 120 миль (200 км) над поверхностью Земли. Радиоволны, отраженные ионосферой, также известны как небесные волны.
Радиоволны — обзор
5.2.2 Рассеяние и отражение
Радиосвязь, такая как сотовые телефоны, телевизоры, AM / FM-радио и сигналы GPS, используют для передачи распространяющиеся электромагнитные волны (часто называемые радиоволнами). информация по беспроводной сети. В то время как ранее обсуждаемые формы EMI сосредоточены на источниках RN, которые могут активно мешать и подавлять эти сигналы на приемнике, существуют также чисто пассивные формы EMI, которые могут повлиять на способность передаваемого сигнала различимо достигать приемника в первую очередь. .
Передаваемые радиоволны взаимодействуют с диэлектрическими и проводящими объектами в окружающей среде, такими как земля, большие здания, линии передачи и башни из стальной решетки.
Падающая радиоволна может вызвать электрические токи в этих объектах, что приведет к рассеянию радиоволны. В случае линий электропередачи и опор это может происходить независимо от того, находятся ли линии под напряжением и проходят ли они ток. Другими словами, простое существование проводящих линий и вышек может привести к рассеянию определенных радиоволн.Есть несколько способов, которыми рассеяние радиоволн может нарушить радиосвязь:
- 1.
-
Блокировка: передаваемый сигнал не достигает приемника из-за того, что он рассеивается структурой на пути между источником сигнала и приемником.
- 2.
-
Многолучевое распространение: рассеяние может обеспечить несколько путей, по которым радиоволна может достигать приемника, что приводит к тому, что несколько копий принятого сигнала слегка смещены во времени и накладываются друг на друга.
- 3.
-
Деформация диаграммы направленности антенны: Рассеяние вблизи передающей антенны или антенной решетки может изменить направленность диаграммы направленности антенны, что приведет к более сильной или более слабой интенсивности сигнала, чем предполагалось, в определенных направлениях.
Обсуждение, приведенное ниже, охватывает потенциальную возможность для линий электропередачи и опор вызывать каждую из этих форм электромагнитных помех, а также методы смягчения, где это применимо.
Независимо от того, возникают ли электромагнитные помехи из-за блокировки, многолучевого распространения или деформации диаграммы направленности антенны, помехи будут возникать только в том случае, если линии передачи и вышки эффективно взаимодействуют с падающей радиоволной.Это сильно зависит от частоты, потому что рассеяние радиоволн имеет тенденцию быть наиболее сильным, когда рассеивающий объект или компонент рассеивающего объекта электрически подобен по размеру длине волны падающей радиоволны. 2 Рассеяние может происходить от отдельных проводов линии передачи (обычно несколько сантиметров в диаметре), пучков проводов (расстояние между проводниками в десятки сантиметров) или башенных конструкций (десятки метров в высоту с подкомпонентами различного размера).
Рассеяние также может происходить от токов, протекающих в замкнутом контуре, образованном двумя соседними опорами, соединяющим экранирующим проводом и землей. Эта петля обычно составляет несколько сотен метров в окружности.
На частотах выше примерно 10 МГц блокирование и многолучевые электромагнитные помехи из-за рассеяния от линий передачи и вышек представляют собой потенциальную проблему. В случае блокировки может произойти потеря сигнала. В случае многолучевого распространения ухудшение сигнала может принимать различные формы, включая фантомные изображения или потерю экрана в случае старых телевизионных трансляций с амплитудной модуляцией (Toyada and Hashimoto, 1979) или изменение дальности в случае GPS (Gerdan et al. ., 1995). Однако на практике эти эффекты EMI редко возникают в отношении линий электропередачи и опор. Рассеяние сигналов 1 ГГц отдельными проводниками линии передачи вряд ли вызовет значительное ухудшение сигнала (Silva and Olsen, 2002). Рассеяние пучками проводников может быть значительным при возникновении резонансных условий (Takeshita et al., 1979), но эти резонансные условия требуют определенных комбинаций частоты радиоволн, расстояния между субпроводниками и угла падения, а также соответствующей геометрии между передатчиком, рассеивающие линии передачи и приемник.
Рассеяние от опор ЛЭП может быть значительным, но обычно только в непосредственной близости от опоры. Тояда и Хашимото (1979) показали в одном исследовании, что очень высокочастотное (ОВЧ) рассеяние от типичной стальной опоры линии электропередачи на расстоянии примерно 100 метров от приемника создает принимаемое рассеянное поле примерно на 16 дБ меньше, чем поле, падающее на башня. В случае сигналов GPS исследования показали незначительное или нулевое отрицательное влияние линий передачи или вышек на измерения кода GPS (например,г., Bancroft et al., 2012; Сильва и Олсен, 2002). Bancroft et al. Обнаружили только не мешающее воздействие на GPS в виде скачков цикла. (2012), и они произошли возле опор ЛЭП.
Если блокирование сигнала прямой видимости действительно происходит вблизи опоры линии передачи, одним из вариантов смягчения последствий является перемещение приемной антенны за пределы тени блокирующей башни. Эти потенциальные эффекты блокировки и многолучевого распространения на частотах, превышающих примерно 10 МГц, обычно незначительны и обычно не учитываются при проектировании линий передачи, но иногда могут возникать в форме жалоб после строительства линии и рассматриваются в индивидуальном порядке. основание для случая (EPRI, 1982; Loftness, 2003).
На частотах ниже примерно 10 МГц, в частности, для радиовещания AM, рассеяние от линий передачи и вышек может мешать диаграмме направленности антенны башни вещания. Чтобы не создавать помех другим радиостанциям в перекрывающихся полосах частот или не тратить энергию на радиопередачи в менее населенные районы, радиовещательным станциям средней частоты (от 300 кГц до 3 МГц) часто требуются определенные диаграммы направленности антенны, которые фокусируют их передачи в определенных направлениях.Рассеяние из-за повторного излучения от близлежащих линий передачи может изменить эту предполагаемую диаграмму направленности. В ситуациях, когда предлагаемое строительство вышки может повлиять на направленность ближайшей радиостанции AM, правила 47 CFR Часть 1, подраздел BB раздела 47 FCC (FCC, 2016) предписывают стороне, предлагающей эти дополнения, расследовать любые потенциальные воздействия на радиостанции AM и примите меры для смягчения этих эффектов. В случае линий передачи повторное излучение радиоволн AM может быть значительным, когда электрическая длина замкнутого контура, образованного соседними опорами линии передачи, экранирующим проводом и землей, близка к длине волны радиостанции, кратной длине волны. .В одном из сценариев повторное излучение линии передачи на расстоянии 450 м от всенаправленной широковещательной антенны AM привело к пикам до 2 дБ и минимумам до −8 дБ в номинальную диаграмму направленности антенны (Trueman and Kubina , 1981).
Чтобы смягчить такие эффекты, электрическая длина замкнутых контуров в линиях передачи может быть изменена путем установки регулируемых юбок или ответвлений на опорах линий электропередачи (см., Например, Trueman et al., 1989; Madge and Jones, 1986 ), или путем изолирования выбранных башен от соединительной экранирующей проволоки (Труман и Кубина, 1986).
Радиоволны — обзор
1 Введение
Миллиметровые волны — это радиоволны с частотой от 30 до 300 ГГц. Радиосвязь миллиметрового диапазона имеет ряд преимуществ по сравнению с более низкочастотным микроволновым радиоприемником. Его широкая полоса пропускания обеспечивает очень высокую скорость передачи данных до 80 Гбит / с или даже выше. Направленная и узкая диаграмма направленности от радиостанций миллиметрового диапазона позволяет развернуть множество радиостанций, не вызывая взаимных помех. Его короткая длина волны (1–10 мм) уменьшает размер антенн и, таким образом, позволяет создавать компактные устройства.Кроме того, короткая длина волны позволяет получать изображения с более высоким разрешением в системах формирования изображений миллиметрового диапазона. Кроме того, атмосферное поглощение кислородом и водой существует в различных частях спектра миллиметровых волн, что позволяет многократно использовать радиоприемники на коротком расстоянии.
Благодаря этим уникальным характеристикам радиостанций миллиметрового диапазона появился широкий спектр приложений. К ним относятся спутниковая связь (35, 60, 94 ГГц), беспроводная локальная сеть (60 ГГц), транзитная система точка-точка (70–80 ГГц), беспроводная связь 10 Гбит / с для передачи несжатого сигнала HDTV (120 ГГц), сканеры тела для безопасности аэропортов (24–30 ГГц), автомобильные радары (77, 79 ГГц), пассивная система визуализации для безопасной посадки самолета (94 ГГц), радиоастрономия, дистанционное зондирование окружающей среды и связь дрон-земля (94 ГГц) ).Ожидается, что будущая мобильная сеть 5G будет поддерживать мгновенную связь с высокой скоростью передачи данных, малую задержку и широкие возможности подключения, обеспечивая беспрецедентные приложения для мобильных устройств, здравоохранения, автономных транспортных средств, умных городов, умных домов и Интернета вещей (IoT).
Планируемое распределение спектра 5G включает частоты ниже 6 ГГц и 28 ГГц, и даже более высокие полосы частот миллиметрового диапазона, такие как 40, 60 и 71–86 ГГц, находятся в стадии оценки. Следовательно, потребность в компактных, недорогих и высокопроизводительных компонентах миллиметрового диапазона значительно возрастает.
С момента первой демонстрации MESFET на основе GaN в 1993 г. (Khan et al., 1993) и HEMT в 1994 г. (Khan et al., 1994) был достигнут огромный прогресс в технологиях транзисторов на основе GaN и MMIC. широкий спектр технических областей. К ним относятся субстратные и эпитаксиальные материалы, устройства, MMIC и упаковочные технологии. Прогресс в технологиях выращивания эпитаксиальных материалов на основе GaN, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) и металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD), позволил использовать различные эпитаксиальные конструкции III-N HEMT, состоящие из AlGaN / GaN, AlN / GaN, InAl (Ga) N / GaN. , и совсем недавно гетероструктуры ScAlN / GaN.Они выращены на неродной подложке, такой как SiC, Si и сапфир. Оптимизация условий выращивания снизила плотность дефектов в эпитаксиальных материалах HEMT, что привело к увеличению подвижности электронов двумерного электронного газа (2DEG) и более высокому критическому электрическому полю в структурах HEMT. Высокая теплопроводность подложки SiC позволяет снизить потребность в охлаждении, когда транзисторы работают с высокой плотностью мощности, а температура канала повышается из-за самонагрева.Достижения в области проектирования устройств и технологий производства улучшили высокочастотные характеристики HEMT на основе GaN, что позволило использовать MMIC усилителя мощности (PA) миллиметрового диапазона на основе GaN, которые имеют значительно более высокую выходную мощность и плотность мощности, чем те, которые доступны в схемах усилителя на основе других систем материалов, таких как как Si, GaAs или InP.
Распространение: антенны и радиоволны
Когда-то самолет эксплуатировался только тогда, когда пилот имел четкую видимость земли и визуальный ориентир был единственным средством навигации.
Адаптация магнитного компаса и развитие гироскопа были ключевыми компонентами в развитии маневрирования при нарушении зрения снаружи. Коммерческая авиация стала реальностью только после внедрения радионавигации. Информационный век действительно наступил, и даже нашим самолетам нужно знать, что происходит. Для облегчения передачи голоса и данных «воздух-земля» и «земля-воздух» или даже «воздух-воздух» на планере стратегически размещен массив антенн. Так что же именно делают эти устройства иногда странной формы в общей большой схеме радиопередачи и приема?
Все вещи на земле, в воде или даже в воздухе непрерывно осыпаются волнами энергии.Некоторые из этих волн стимулируют наши чувства, и их можно увидеть, почувствовать или услышать. Например, мы можем видеть свет, слышать звук и чувствовать тепло. Радиоволны распространяются, что означает «перемещаются через среду». Легче всего это наблюдать по световым лучам. Когда в затемненной комнате включается свет, лучи света проходят от лампочки по всей комнате. Когда фонарик включен, световые лучи также исходят от его лампы, но фокусируются в узкий луч. Вы можете использовать эти примеры, чтобы представить себе, как распространяются радиоволны.Как и свет в комнате, радиоволны могут распространяться во всех направлениях. Их также можно сфокусировать (сконцентрировать), как фонарик, в зависимости от необходимости. Радиоволны — это форма лучистой энергии, подобная свету и теплу. Хотя их нельзя ни увидеть, ни почувствовать, их присутствие можно обнаружить с помощью чувствительных измерительных устройств. Скорость, с которой распространяются обе формы волн, одинакова; они оба движутся со скоростью света.
Исторические новаторы
Первую антенну разработал немецкий физик Генрих Герц.В конце 1880-х годов он провел знаменательный эксперимент по проверке теории британского математика-физика Джеймса Клерка Максвелла. Это доказало бы, что видимый свет — лишь один из примеров более широкого класса электромагнитных эффектов, которые могут проходить через воздух (или пустое пространство) в виде последовательности волн.
Герц построил передатчик для таких волн, состоящий из двух плоских квадратных металлических пластин, каждая из которых прикреплена к стержню, а стержни, в свою очередь, соединены с металлическими сферами, расположенными близко друг к другу. Индукционная катушка, подключенная к сферам, заставляла искру прыгать через зазор, создавая колебательные токи в стержнях.О приеме волн в удаленной точке свидетельствовал скачок искры через разрыв в проволочной петле.
Итальянский физик Гульельмо Маркони, считающийся главным изобретателем беспроводной телеграфии, сконструировал различные антенны как для отправки, так и для приема, а также обнаружил важность высоких антенных структур для передачи низкочастотных сигналов. В первых антеннах, построенных Маркони и другими, рабочие частоты обычно определялись размером и формой антенны.В более поздних антеннах частота регулировалась генератором, который генерировал передаваемый сигнал.
Электромагнитные поля
Электромагнитная волна состоит из двух основных компонентов: электрического поля и магнитного поля. Электрическое поле возникает из-за силы напряжения, а магнитное поле возникает из-за протекания тока. Излучаемые электромагнитные поля обычно считаются волнами, а электромагнитное излучение в космосе можно интерпретировать как горизонтальные и вертикальные силовые линии, ориентированные под прямым углом друг к другу.Эти силовые линии состоят из электрического поля (E) и магнитного поля (H), которые в совокупности составляют электромагнитное поле. Электрические и магнитные поля, излучаемые антенной, образуют именно такое электромагнитное поле, которое отвечает за передачу и прием электромагнитной энергии через свободное пространство.
Антенна считается частью электрической цепи передатчика или приемника и имеет такие факторы, как индуктивность, емкость и сопротивление.Это означает, что можно ожидать, что антенна будет отображать определенные зависимости напряжения и тока по отношению к данному входу.
Ток через антенну создает магнитное поле, а заряд на антенне создает электрическое поле. Эти два поля вместе образуют индуктивное поле.
Поле, которое существует вокруг каждого электрически заряженного объекта, представляет собой силовое поле, которое можно обнаружить и измерить. Это силовое поле может вызвать перемещение электрических зарядов в поле. Когда объект заряжен электрически, концентрация электронов больше или меньше, чем обычно.Это приводит к разнице потенциалов между заряженным и незаряженным объектами. Электрическое поле связано с разностью потенциалов или напряжением. Это невидимое силовое поле обычно представлено линиями, показывающими пути, по которым действует сила. Линии, представляющие электрическое поле, нарисованы в направлении, в котором один положительный заряд обычно перемещается под действием этого поля. Большая электрическая сила показана большим скоплением линий; слабая сила обозначена несколькими линиями.
Радиоволны
Энергетическая волна, генерируемая передатчиком, называется радиоволной. Радиоволна, излучаемая в космос передающей антенной, представляет собой очень сложную форму энергии, содержащую как электрические, так и магнитные поля. Из-за такой комбинации полей радиоволны также называют электромагнитным излучением.
Период радиоволны — это просто количество времени, необходимое для завершения одного полного цикла.Если синусоида имеет частоту 2 герца, каждый цикл имеет продолжительность или период в полсекунды. Если частота составляет 10 герц, период каждого цикла составляет одну десятую секунды. Поскольку частота радиоволны — это количество циклов, которые завершаются за одну секунду, вы должны увидеть, что по мере увеличения частоты радиоволны ее период уменьшается. Длина волны — это пространство, занимаемое одним полным циклом радиоволны в любой данный момент. Длины волн выражаются в метрах (1 метр равен 3.28 футов). Вы должны хорошо понимать частоту и длину волны, чтобы выбрать подходящую антенну.
Существует два основных способа передачи электромагнитной (радио) энергии от передающей антенны к приемной антенне. Один путь — это наземные волны, а другой — небесные волны. Земные волны — это радиоволны, которые распространяются вблизи поверхности Земли, а небесные волны — это радиоволны, которые отражаются обратно на Землю от ионосферы.
Естественное вмешательство
Естественные помехи относятся к статическим помехам, которые вы часто слышите при прослушивании радио, и представляют собой помехи, создаваемые природными явлениями, такими как грозы, метели, космические источники и солнце.Выделяемая ими энергия передается на место приема примерно так же, как радиоволны. В результате, когда условия благоприятны для распространения радиоволн на большие расстояния, они также благоприятны для передачи естественных помех. Это препятствие очень неустойчиво, особенно в высокочастотном (HF) диапазоне, но обычно будет уменьшаться по мере увеличения рабочей частоты и использования более широких полос частот. На частотах выше 30 мегагерц естественные помехи незначительны.
Одним из наиболее заметных явлений на поверхности Солнца является появление и исчезновение темных участков неправильной формы, известных как солнечные пятна. Их точная природа неизвестна, но ученые полагают, что эти солнечные вспышки вызваны сильными извержениями на Солнце и характеризуются необычно сильными магнитными полями. Солнечные пятна ответственны за изменения уровня ионизации ионосферы и могут неожиданно возникать с переменной продолжительностью жизни. Однако существует документированный регулярный цикл активности солнечных пятен.Этот цикл имеет как минимальный, так и максимальный уровень активности солнечных пятен, который происходит примерно каждые 11 лет. В периоды максимальной активности солнечных пятен плотность ионизации всех слоев увеличивается. В это время для междугородной связи необходимо использовать более высокие рабочие частоты. Количество солнечных пятен, существующих в любой момент времени, может меняться, и по мере исчезновения некоторых появляются новые. Поскольку Солнце вращается вокруг своей оси, эти пятна видны с интервалом в 27 дней, что примерно соответствует периоду, необходимому Солнцу для одного полного вращения.27-дневный цикл солнечных пятен вызывает ежедневные изменения плотности ионизации. Неравномерные изменения ионосферных условий оказывают важное влияние на распространение радиоволн. Эти изменения нерегулярны и непредсказуемы, поэтому они могут резко повлиять на возможности связи без какого-либо предупреждения.
Самая поразительная из неоднородностей ионосферы известна как внезапное ионосферное возмущение (ВИС). Эти нарушения могут возникать без предупреждения и сохраняться в течение любого периода времени, от нескольких минут до нескольких часов.Когда происходит SID, распространение ВЧ радиоволн на большие расстояния почти полностью «глушится». Непосредственный эффект заключается в том, что летные экипажи, слушающие на нормальных частотах, склонны полагать, что их приемники вышли из строя.
Для успешной связи между любыми двумя указанными местоположениями в любое время суток существует максимальная частота, наименьшая частота и оптимальная частота, которые можно использовать.
Линии передачи
Линия передачи — это устройство, предназначенное для направления электрической энергии из одной точки в другую.Он используется для передачи выходной электромагнитной энергии передатчика на антенну. Эта энергия не будет проходить по обычным электрическим проводам без больших потерь. Хотя антенну можно подключить непосредственно к передатчику, в большинстве самолетов это непрактично, поэтому антенна обычно располагается удаленно.
Линия передачи имеет единственное назначение как для передатчика, так и для антенны. Это предназначено для передачи выходной энергии передатчика на антенну с минимально возможными потерями мощности.Насколько хорошо это будет сделано, зависит от особых физических и электрических характеристик (импеданса) линии передачи.
Линия передачи является электрически длинной, если ее физическая длина больше по сравнению с четвертью длины волны энергии, которую она должна переносить. Термины «короткий» и «длинный» относительны; то есть линия, имеющая физическую длину 3 метра (приблизительно 10 футов), считается довольно короткой в электрическом отношении, если она передает радиочастоту 30 килогерц.С другой стороны, та же линия передачи считается электрически длинной, если она передает частоту 30 000 мегагерц.
Линия передачи обладает такими же свойствами, как индуктивность, емкость и сопротивление, как и большинство обычных цепей. Однако константы в обычных схемах являются скорее константами, зависящими от типа компонента. Катушка с проволокой считается индуктором, и когда в цепи требуется определенная индуктивность, вставляется катушка надлежащего номинала.Индуктивность схемы основана на одном компоненте. Две металлические пластины, разделенные небольшим пространством, могут использоваться для обеспечения необходимой емкости для цепи, поскольку конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором. Точно так же можно использовать постоянный резистор для подачи определенного значения сопротивления цепи. Линии передачи также имеют константы, состоящие из комбинации индуктивности, емкости и сопротивления, и влияние этой комбинации на передачу электрической энергии называется импедансом.
Антенны
Конструкция антенной системы очень важна для передающей станции. Антенна должна иметь возможность эффективно излучать, чтобы энергия, подаваемая передатчиком, не тратилась впустую. Эффективная передающая антенна должна иметь точные размеры. Размеры определяются частотами передачи. Размеры приемной антенны не критичны для относительно низких радиочастот. Однако по мере увеличения частоты принимаемого сигнала конструкция и установка приемной антенны становятся более важными.Примером этого могут быть кроличьи уши на телевидении. Если вы поднимете его еще на несколько дюймов от земли или слегка повернете по направлению, вы можете превратить снежное размытие в четкое изображение.
Большинство практичных передающих антенн делятся на две основные категории: антенны Герца (полуволновые) и Маркони (четвертьволновые). Антенны Герца обычно расположены так, чтобы излучать либо вертикально, либо горизонтально. Антенны Marconi работают с заземленным одним концом и устанавливаются перпендикулярно поверхности, действующей как заземление.Антенны Герца часто используются для частот выше 2 мегагерц. Антенны Marconi используются для частот ниже 2 мегагерц и могут использоваться на более высоких частотах в определенных приложениях.
Самолеты создают множество проблем для разработчиков антенных систем. Даже место должно соответствовать возможностям. Одно недавнее событие, обнаруженное на вертолете, выявило ситуацию, когда радиосвязь работала хорошо, пока самолет направлялся от станции, однако, двигаясь к передаваемому сигналу, экипаж заметил, что дальность действия составляла от половины до двух третей противоположной. направление.Как оказалось, антенна Com была расположена сразу за несущим винтом, и сигнал эффективно блокировался работающими лопастями. Переместив антенну на дно поделки, проблема исчезла.
Когда дело доходит до надлежащего ухода за антенной, ее установки и обнаружения неисправностей, возникает множество проблем. Иногда идеи, которые выглядят хорошо в то время, могут действительно мешать диаграммам направленности сигнала. Использование некоторых типов защитной ленты на передней кромке антенны или отсутствие хорошего сцепления с окружающим планером может привести к накоплению электростатического заряда, вызывающему ухудшение сигнала.Регулировка кроличьих ушей на фюзеляже самолета на высоте 40000 футов — это то, что не приведет к проживанию долго и счастливо. AMT
Анатомия электромагнитной волны
Энергия, мера способности выполнять работу, имеет множество форм и может трансформироваться из одного типа в другой. Примеры накопленной или потенциальной энергии включают батареи и воду за плотиной. Движущиеся объекты являются примерами кинетической энергии. Заряженные частицы, такие как электроны и протоны, при движении создают электромагнитные поля, и эти поля переносят энергию, которую мы называем электромагнитным излучением или светом.
Что такое электромагнитные и механические волны?
Механические волны и электромагнитные волны — два важных способа передачи энергии в окружающем нас мире. Волны в воде и звуковые волны в воздухе — два примера механических волн. Механические волны вызываются возмущением или вибрацией в веществе, будь то твердое тело, газ, жидкость или плазма. Материя, через которую распространяются волны, называется средой. Волны на воде образуются из-за колебаний жидкости, а звуковые волны из-за колебаний в газе (воздухе).Эти механические волны проходят через среду, заставляя молекулы сталкиваться друг с другом, как падающие домино, передавая энергию от одного к другому. Звуковые волны не могут распространяться в космическом вакууме, потому что нет среды для передачи этих механических волн.
Классические волны передают энергию, не перемещая материю через среду. Волны в пруду не переносят молекулы воды с места на место; скорее энергия волны проходит через воду, оставляя молекулы воды на месте, как жук, покачивающийся на волнах в воде.
Когда воздушный шар трется о шевелюру, создается астатический электрический заряд, заставляющий отдельные волоски отталкиваться друг от друга. Предоставлено: имбирный мясник
.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Электричество может быть статическим, как энергия, от которой волосы встают дыбом. Магнетизм также может быть статическим, как в магните холодильника. Изменяющееся магнитное поле вызовет изменяющееся электрическое поле, и наоборот — они связаны. Эти изменяющиеся поля образуют электромагнитные волны.Электромагнитные волны отличаются от механических волн тем, что для их распространения не требуется среда. Это означает, что электромагнитные волны могут распространяться не только через воздух и твердые материалы, но и через космический вакуум.
В 1860-х и 1870-х годах шотландский ученый по имени Джеймс Клерк Максвелл разработал научную теорию, объясняющую электромагнитные волны. Он заметил, что электрические и магнитные поля могут соединяться вместе, образуя электромагнитные волны. Он суммировал эту взаимосвязь между электричеством и магнетизмом в то, что теперь называется «уравнениями Максвелла».«
Генрих Герц, немецкий физик, применил теории Максвелла для получения и приема радиоволн. Единица частоты радиоволны — один цикл в секунду — названа герцем в честь Генриха Герца.
Его эксперимент с радиоволнами решил две проблемы. Во-первых, он продемонстрировал на бетоне то, что Максвелл только предположил — что скорость радиоволн равна скорости света! Это доказало, что радиоволны были формой света! Во-вторых, Герц узнал, как заставить электрические и магнитные поля отделяться от проводов и становиться свободными, как волны Максвелла — электромагнитные волны.
ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ? ДА!
Свет состоит из дискретных пакетов энергии, называемых фотонами. Фотоны обладают импульсом, не имеют массы и движутся со скоростью света. Любой свет обладает как частицами, так и волнообразными свойствами. Как устроен инструмент для восприятия света, влияет на то, какие из этих свойств наблюдаются. Инструмент, который преломляет свет в спектр для анализа, является примером наблюдения волнообразного свойства света. Подобная частицам природа света наблюдается с помощью детекторов, используемых в цифровых камерах — отдельные фотоны высвобождают электроны, которые используются для обнаружения и хранения данных изображения.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Одно из физических свойств света — то, что он может быть поляризованным. Поляризация — это измерение выравнивания электромагнитного поля. На рисунке выше электрическое поле (выделено красным) вертикально поляризовано. Представьте, что вы бросаете фрисби в частокол. В одной ориентации он пройдет, в другой — отвергнут. Это похоже на то, как солнцезащитные очки могут устранять блики, поглощая поляризованную часть света.
ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ
Термины свет, электромагнитные волны и излучение относятся к одному и тому же физическому явлению: электромагнитной энергии.Эту энергию можно описать частотой, длиной волны или энергией. Все три связаны математически, так что если вы знаете одно, вы можете вычислить два других. Радио и микроволны обычно описываются с точки зрения частоты (герцы), инфракрасного и видимого света с точки зрения длины волны (метры), а рентгеновские лучи и гамма-лучи с точки зрения энергии (электрон-вольт). Это научное соглашение, которое позволяет удобно использовать единицы с не слишком большими и не слишком маленькими числами.
ЧАСТОТА
Количество гребней, которые проходят заданную точку в течение одной секунды, описывается как частота волны.Одна волна — или цикл — в секунду называется Герцем (Гц) в честь Генриха Герца, который установил существование радиоволн. Волна с двумя циклами, которая проходит точку за одну секунду, имеет частоту 2 Гц.
ДЛИНА ВОЛНЫ
У электромагнитных волн есть гребни и впадины, похожие на гребни и впадины океанских волн. Расстояние между гребнями — это длина волны. Самые короткие длины волн — это всего лишь доли размера атома, в то время как самые длинные волны, изучаемые в настоящее время учеными, могут быть больше диаметра нашей планеты!
ЭНЕРГИЯ
Электромагнитная волна также может быть описана с точки зрения ее энергии — в единицах измерения, называемых электрон-вольтами (эВ).Электрон-вольт — это количество кинетической энергии, необходимое для перемещения электрона через потенциал в один вольт. Двигаясь по спектру от длинных волн к коротким, энергия увеличивается по мере того, как длина волны укорачивается. Представьте себе скакалку, концы которой тянутся вверх и вниз. Чтобы веревка имела больше волн, требуется больше энергии.
Начало страницы | Далее: Wave Behaviors
Цитата
APA
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Анатомия электромагнитной волны. Получено [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy
MLA
Управление научной миссии. «Анатомия электромагнитной волны» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy
Веб-сайт класса физики
Распространение электромагнитной волны
Электромагнитные волны — это волны, которые могут перемещаться в космическом вакууме.Механические волны, в отличие от электромагнитных волн, требуют наличия материальной среды для передачи своей энергии из одного места в другое. Звуковые волны являются примерами механических волн, а световые волны — примерами электромагнитных волн.
Электромагнитные волны создаются вибрацией электрического заряда. Эта вибрация создает волну, которая имеет как электрическую, так и магнитную составляющие. Электромагнитная волна переносит свою энергию через вакуум со скоростью 3.00 x 10 8 м / с (значение скорости обычно обозначается символом c ). Распространение электромагнитной волны через материальную среду происходит с чистой скоростью менее 3,00 x 10 8 м / с. Это показано на анимации ниже.
Механизм передачи энергии через среду включает поглощение и переизлучение энергии волны атомами материала. Когда электромагнитная волна падает на атомы материала, энергия этой волны поглощается.Поглощение энергии заставляет электроны внутри атомов совершать колебания. После короткого периода колебательного движения колеблющиеся электроны создают новую электромагнитную волну с той же частотой, что и первая электромагнитная волна. Хотя эти колебания происходят в течение очень короткого времени, они задерживают движение волны через среду. Как только энергия электромагнитной волны переизлучается атомом, она проходит через небольшую область пространства между атомами. Как только он достигает следующего атома, электромагнитная волна поглощается, преобразуется в электронные колебания и затем повторно излучается в виде электромагнитной волны.В то время как электромагнитная волна будет распространяться со скоростью c (3 x 10 8 м / с) через вакуум межатомного пространства, процесс поглощения и переизлучения приводит к тому, что чистая скорость электромагнитной волны будет меньше c. Это видно на анимации ниже.
Фактическая скорость электромагнитной волны через материальную среду зависит от оптической плотности этой среды. Различные материалы вызывают разную задержку из-за процессов абсорбции и повторного выброса.Кроме того, в различных материалах атомы более плотно упакованы, и поэтому расстояние между атомами меньше. Эти два фактора зависят от природы материала, через который распространяется электромагнитная волна. В результате скорость электромагнитной волны зависит от материала, через который она распространяется.
Для получения дополнительной информации о физических описаниях волн посетите The Physics Classroom Tutorial. Подробная информация доступна по следующим темам:
Механическое vs.Электромагнитные волныВолнообразное поведение света
ЭМ и видимый спектр
Поглощение, отражение и пропускание света
Оптическая плотность и скорость света
Распространение электромагнитных волн — Учебное пособие по Java
Распространение электромагнитных волн — Учебное пособие по Java
Электромагнитные волны могут генерироваться различными способами, такими как разрядная искра или колеблющийся молекулярный диполь.Видимый свет представляет собой обычно изучаемую форму электромагнитного излучения и демонстрирует колеблющиеся электрические и магнитные поля, амплитуды и направления которых представлены векторами, колеблющимися по фазе в виде синусоидальных волн в двух взаимно перпендикулярных (ортогональных) плоскостях. В этом руководстве исследуется распространение виртуальной электромагнитной волны и рассматривается ориентация векторов магнитного и электрического поля.
Чтобы повернуть волновую модель, щелкните и перетащите в любое место окна.
Учебное пособие инициализируется электромагнитной волной, генерируемой разрядной искрой виртуального конденсатора. Ток искры колеблется с частотной характеристикой цепи, и возникающие в результате электромагнитные помехи распространяются с векторами электрического ( E ) и магнитного ( B ) поля, колеблющимися перпендикулярно друг другу и направлению распространения ( Z ). Длина волны, излучаемая виртуальным разрядом конденсатора, может быть изменена (в диапазоне видимого света) с помощью ползунка Wavelength .
Перед тем, как продолжить обсуждение явления анизотропии, необходим базовый обзор нескольких принципов физической оптики, необходимый для последующих обсуждений. Как упоминалось ранее, видимый свет — это форма электромагнитной волны. Если конденсатор заряжен (рис.1) и через два электрода разряжается искра, ток, индуцированный искрой, на короткое время течет вниз, замедляется, но из-за индуктивности цепи течет обратно вверх, заряжая снова конденсатор.
Распространение электромагнитной волны, генерируемой разряжающимся конденсатором или колеблющимся молекулярным диполем, показано на рисунке 1. Ток искры колеблется с частотой ( ν ), которая является характеристикой схемы. Возникающее в результате электромагнитное возмущение распространяется электронными ( E ) и магнитными ( B ) векторами, колеблющимися перпендикулярно друг другу, а также направлению распространения ( Z ).Частота ν определяется осциллятором, а длина волны определяется частотой колебаний, деленной на скорость волны.
Когда ток колеблется вверх и вниз в искровом промежутке, на характеристической частоте цепи ( ν ) создается магнитное поле, которое колеблется в горизонтальной плоскости. Изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, индуцирует электрическое поле, так что серия электрических и магнитных колебаний объединяется, образуя образование, которое распространяется как электромагнитная волна.
Электрическое поле в электромагнитной волне колеблется, его векторная сила увеличивается, а затем ослабевает, направляя в одном направлении, а затем в другом направлении, чередуя синусоидальную структуру (рисунок 1). На той же частоте магнитное поле колеблется перпендикулярно электрическому полю. Электрический и магнитный векторы, отражающие амплитуду и направление колебаний двух волн, ориентированы перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны.
Скорость возникающей электромагнитной волны может быть определена из соотношений, определяющих взаимодействия электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла доказывают, что скорость равна скорости света в вакууме ( c ; равняется 300000 километров в секунду), деленной на квадратный корень из диэлектрической постоянной ( ξ ) среды, умноженной на магнитную проницаемость ( μ ). ) среды. Таким образом,
(1)
Для большинства материалов, которые встречаются в живых клетках (некоторые из которых непроводящие), магнитная проницаемость равна единице, так что :
(2)
Эмпирически известно, что скорость света обратно пропорциональна показателю преломления ( n ) материала, через который он распространяется, поэтому:
υ = c / n
(3)
Из уравнений (2) и (3) можно сделать вывод, что показатель преломления равен квадратному корню из диэлектрической проницаемости этого материала, если измерения проводятся на той же частоте.