Школа-гимназия 32 Предмет: ФИЗИКА Преподаватель: Кабанова Н.В. Тема: РАДИО. История развития и применение. Подготовила: Ученица класса 9-3 Карандашева Анна Иваново 2003 год Радио. История развития и применение. В данный момент радио (от лат. radio — излучаю, испускаю лучи, radius — луч) является одним из самых распространенных видов передачи и получения информации.
В основе этого способа лежит передача радиоволн, о которых хотелось бы рассказать поподробнее. Радиоволны электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 61012 гц). Они имеют многообразное применение: радиовещание, радиотелефонная связь, телевидение, радиолокация, радиометеорология и др. Во всех перечисленных случаях радиоволны являются средством передачи на расстояние без проводов той
или иной информации: речи, телеграфных сигналов, изображения. Радиоволны используются для определения направления и расстояния до различных объектов, для получения сведений о строении верхних слоев атмосферы, Солнца, планет и тому подобное. Табл. 1. Деление диапазона радиоволн на поддиапазоны Название поддиапазона Длина волны, м Частота колебаний, гц
Сверхдлинные волны Длинные волны Средние волны Короткие волны Метровые волны Дециметровые волны Сантиметровые волны Миллиметровые волны Субмиллиметровые волны более 104 м 104—103 м 103—102 м 102—10 м 10—1 м 1—0,1 м 0,1—0,01 м 0,01—0,001 10+3—510+5 менее 3104 3104—3105 3105—3106 3106—3107 3107—3108 3108—3&
#61655;1010 31010—31011 31011—61012 Таблица 2 Диапазон радиочастот наименование диапазона Границы диапазонов основной термин параллельный термин 1-й диапазон частот 2-й диапазон частот 3-й диапазон частот 4-й диапазон частот 5-й диапазон частот 6-й диапазон частот 7-й диапазон частот 8-й диапазон частот 9-й диапазон частот 10-й диапазон частот 11-й диапазон частот 12-й диапазон частот Крайне низкие
КНЧ Сверхнизкие СНЧ Инфранизкие ИНЧ Очень низкие ОНЧ Низкие частоты НЧ Средние частоты СЧ Высокие частоты ВЧ Очень высокие ОВЧ Ультравысокие УВЧ Сверхвысокие СВЧ Крайне высокие КВЧ Гипервысокие ГВЧ 3—30 гц 30—300 гц 0,3—3 Кгц 3—30 Кгц 30—300 Кгц 0,3—3 Мгц 3—30 Мгц 30—300 Мгц 0,3—3
Ггц 3—30 Ггц 30—300 Ггц 0,3—3 Тгц Диапазон радиоволн наименование диапазона Границы диапазонов основной термин параллельный термин 1-й диапазон 2-й диапазон 3-й диапазон 4-й диапазон 5-й диапазон 6-й диапазон 7-й диапазон 8-й диапазон 9-й диапазон 10-й диапазон 11-й диапазон 12-й диапазон Декамегаметровые Мегаметровые Гектокилометровые Мириаметровые Километровые Гектометровые Декаметровые Метровые Дециметровые
Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые 100—10 мм 10—1 мм 1000—100 км 100—10 км 10—1 км 1—0,1 км 100—10 м 10—1 м 1—0,1 м 10—1 см 10—1 мм 1—0,1 мм Примечание. Диапазоны радиочастот включают наибольшую частоту и исключают наименьшую. Диапазоны радиоволн включают наименьшую длину и исключают наибольшую. Первым опыты передачи сигналов при помощи радиоволн осуществлял
Попов Александр Степанович (родился 4(16).3.1859, поселок Турьинские Рудники, ныне Краснотурьинск Свердловской области, умер 31.12.1905(13.1.1906) в Петербурге), русский физик и электротехник, изобретатель электрической связи без проводов (радиосвязи, радио). В 1882 окончил физико-математический факультет Петербургского университета и был оставлен в нём для подготовки к научной деятельности.
Преподаватель физики и электротехники Минного офицерского класса (1883—1901) и Технического училища Морского ведомства в Кронштадте (1890—1900); профессор физики (с 1901) и директор (с 1905) Петербургского электротехнического института. Почётный инженер-электрик (1900) и почётный член Русского технического общества (1901). Первые научные исследования Попова были посвящены анализу наивыгоднейшего действия динамоэлектрических
машины (1883) и индукционным весам Юза (1884). После опубликования (1888) работ Г. Герца по электродинамике Попов стал изучать электромагнитные явления и прочитал серию публичных лекций на тему «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическим явлениями». Пытаясь найти способ эффективной демонстрации опытов Герца перед большой аудиторией, Попов занялся конструированием более наглядного индикатора электромагнитных
волн (ЭВ), излучаемых Герца вибратором. Хорошо понимая потребность флота в средствах беспроводной сигнализации, он в начале 90-х гг. поставил перед собой также задачу использовать ЭВ для сигнализации. Поиски решения этих задач проходили в два этапа: отыскание достаточно чувствительного индикатора ЭВ; разработка прибора, способного надёжно регистрировать ЭВ, излучаемые вибратором Герца. В качестве индикатора
Попов выбрал радиокондуктор, предложенный французским физиком Э. Бранли и названный позже когерером. Когерер представлял собой заполненную металлическими опилками небольшую стеклянную трубку с двумя электродами на концах. Под действием ЭВ электрическое сопротивление опилок резко уменьшалось, и когерер терял чувствительность, но при лёгком встряхивании она снова восстанавливалась.
В результате кропотливых экспериментов с когерером Попов сделал его достаточно чувствительным и удобным индикатором ЭВ. 2-й этап завершился в начале 1895 созданием «прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний» — радиоприёмника (рис.). Он состоял из соединённых последовательно когерера, поляризованного реле, замыкающего цепь электрического звонка, и источника постоянного тока — электрической батареи.
При уменьшении сопротивления когерера (под действием ЭВ) реле срабатывало и включало электрический звонок. Его молоточек сначала ударял по колокольчику, а затем по когереру, встряхивая его и тем самым возвращая в чувствительное состояние. Таким образом, тотчас после приёма одной посылки ЭВ когерер был готов к приёму следующей. К весне 1895
Попов построил чувствительный и надёжно работавший приёмник, пригодный для беспроводной сигнализации (радиосвязи). В качестве передатчика Попов применил видоизменённый вибратор Герца, возбуждаемый катушкой Румкорфа. К концам стержней вибратора Попов прикрепил квадратные металлические листы размером 4040 см. Сигнализация производилась замыкателем (ключом) в цепи питания катушки
Румкорфа. В первых опытах по радиосвязи, проведённых в физическом кабинете, а затем в саду Минного офицерского класса, приёмник обнаруживал излучение радиосигналов, посылаемых передатчиком, на расстоянии до 60 м. При проведении опытов Попов заметил, что подсоединение к когереру вертикального металлического провода (антенны) приводило к увеличению расстояния уверенного приёма. 25 апреля (7 мая) 1895 на заседании физического отделения
Русского физико-химического общества Попов сделал научный доклад об изобретении им системы связи без проводов и продемонстрировал её работу; о содержании доклада Попова напечатано в газете «Кронштадтский вестник» от 30 апреля (12 мая) 1895 и в «Журнале Русского физико-химического общества», 1895, т. 27, в. 8. Во время опытов в 1895 Попов обнаружил, что его приёмник реагирует также и на грозовые разряды.
Поэтому Попов построил специальный прибор, записывающий на движущуюся бумажную ленту сигналы, вызванные электромагнитным излучением гроз. Этот прибор, названный впоследствии грозоотметчиком, в 1895—96 использовался им для изучения характера атмосферных помех. Приёмник Попова (рис.) и грозоотметчик Попова хранятся в Центральном музее связи в Ленинграде. В 1895—96 Попов занимался усовершенствованием созданных им приборов, выступал с докладами
и показом их работы. Весной 1897 в опытах в Кронштадтской гавани Попов достиг дальности радиосвязи 600 м, а летом 1897 при испытании на кораблях — 5 км. В это время он обнаружил, что металлические корабли влияют на распространение ЭВ и предложил способ определения направления на работающий передатчик. Во время опытов в 1897 Попов пользовался ЭВ, лежащими на границе дециметрового и метрового диапазонов.
К этому же времени относятся работы Попова по изучению рентгеновских лучей; им сделаны первые в России рентгеновские снимки предметов и конечностей человека. В 1899 П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий — помощники Попова — обнаружили детекторный эффект когерера. На основе этого эффекта Попов построил «телефонный приёмник депеш» для слухового приёма радиосигналов (на головные телефоны) и запатентовал его (Русская привилегия № 6066 от 1901).
Приёмники этого типа выпускались в 1899—1904 в России и во Франции (фирма «Дюкрете») и широко использовались для радиосвязи. В начале 1900 приборы Попова были применены для связи во время работ по ликвидации аварии броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» у острова Гогланд и при спасении рыбаков, унесённых на льдине в море. При этом дальность связи достигла 45 км. В 1901 Попов в реальных корабельных условиях получил дальность
связи 148—150 км. Работы Попова получили высокую оценку уже его современников в России и за рубежом: так, приёмник Попова был удостоен Большой золотой медали на Всемирной выставке 1900 в Париже. Особым признанием заслуг Попова явилось постановление Совета Министров СССР, принятое в 1945, которым установлен
День радио (7 мая) и учреждена золотая медаль имени А. С. Попова, присуждаемая АН СССР за выдающиеся работы и изобретения в области радио. Дальнейшее развитие радиотехники привело к использованию более широкого спектра электромагнитных волн. Нижняя граница спектра радиоволн, излучаемых радиопередающими устройствами, порядка 103—104 гц. РАДИОВОЛНЫ. В природе существует много естественных источников радиоволн: звёзды, в том числе
Солнце, галактики, метагалактики, планеты. Исследование радиоволн от внеземных источников позволило расширить наши представления о Вселенной. Некоторые процессы, происходящие в земной атмосфере, также сопровождаются генерацией радиоволн. Например, радиоволны возникают при разряде молний, при возбуждении колебаний в ионосферной плазме. При этих процессах возбуждаются радиоволны и более низких частот (вплоть до долей герца). Радиоволны различных частот по-разному распространяются в пределах
Земли и в космическом пространстве и в связи с этим находят различное применение в радиосвязи и в научных исследованиях. Радиоволны, излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т.д. Способы распространения радиоволн существенно зависят от длины волны , от освещённости
земной атмосферы Солнцем и от ряда других факторов (смотри ниже). Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое распространение радиоволн называется свободным. Условия распространения радиоволн в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при
радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному. Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской. Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2, что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции.
Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с = 300 000 км/сек. При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн.
Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн.
Коэффициент поглощения  = 2/, фазовая скорость  = c/n. В этом случае rд определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (, ). В земных условиях Р. р. обычно отличается от свободного. На Р. р. оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т.д.
Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны. Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности. Распространение радиоволн — пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого
А и В расположены передатчик и приёмник (рис.). Чем меньше , тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z1 и Z2, на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с , то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на распространение радиоволн (свободное
распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, наложится поле отражённой волны. Если при Z1   и Z2  , то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого
и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис.). Условие Z1 и Z2   практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ). При увеличении  существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой
волн. Влияние Земли на распространение радиоволн в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью, поэтому распространение радиоволн вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением . Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны.
Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну, у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной (рис.). Величина горизонтальной компоненты Ex значительно меньше вертикальной Ez и убывает с увеличением проводимости  земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2
проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше , и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль
Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии ~ нескольких  от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы. Выпуклость Земли является своеобразным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в «область тени». Так как дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше , а размер выпуклости
Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис.), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то условие h   выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением  увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени.
Высота шарового сегмента h для различных расстояний между передатчиком и приёмником Расстояние, км 1 5 10 50 100 500 1000 5000 h, м 0,03 0,78 3,1 78 310 7800 3,1104 3,75104 Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на распространение радиоволн оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем (
 ) , то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис.), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии. Рельеф земной поверхности также влияет на распространение радиоволн. Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h, горизонтальной протяжённостью
l,  и углом падения  волны на поверхность (рис.). Если выполняются условия: 42l 2 sin2/2  1; 2 sin   1, (2) то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на распространение радиоволн. При увеличении  условия могут нарушаться.
При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения). Высокие холмы, горы и т.п кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис.). Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн.
Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере. Проводимость тропосферы  для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически равна 0; диэлектрическая проницаемость  и, следовательно, показатель преломления n являются функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n  1,0003.
Изменение  и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно  и n уменьшаются, а фазовая скорость  растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис.). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой совпадает с прямой ав (рис.), то вследствие того, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью,
чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует распространению радиоволн за пределы прямой видимости, т.к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Однако практически этот эффект может играть роль только для
УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной. Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту
волна на некоторой высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в металлических радиоволноводах (устройство для проведения особых частот волн, о котором сказано ниже), в тропосферных волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критической
(кр  0,085 d3/2 , d —высота волновода в м, кр в см). Толщина слоев инверсии в тропосфере обычно не превышает  50—100 м, поэтому волноводным способом могут распространяться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны. Рассеяние на флуктуациях . Помимо регулярных изменений  с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) , возникающие в результате беспорядочного
движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей , является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис.).
При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией. Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых.
Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а, следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн.
Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна 4, если размер рассеивающей частицы d < , и не зависит от , если d  . Практически через область сильного дождя или тумана волны с  < 3 см распространяться не могут. Волны короче 1,5 см, помимо этого, испытывают резонансное поглощение
в водяных парах ( = 1,5 см; 1,35 см; 0,75 см; 0,5 см; 0,25 см) и кислороде ( = 0,5 см и 0,25 см). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения. Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере — многокомпонентной плазме, находящейся в магнитном
поле Земли, механизм распространения радиоволн сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны  основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн.
При высокой частоте  в распространении радиоволн принимают участие только электроны частота колебаний, которых (Ленгмюровская частота) равна: где е — заряд, m — масса, N — концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2. Такое смещение электронов усиливает поле
Е волны в ионосфере (рис.). Поэтому диэлектрическая проницаемость , равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы < 1 :  = 1 — 20/2. Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для  и  ионосферы: где  — число столкновений в секунду.
Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: 2  2 и показатели преломления n и поглощения  равны: С увеличением частоты  уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны Скорость распространения энергии (групповая скорость волны) в ионосфере равна сn и в соответствии
с теорией относительности меньше с. Отражение радиоволн. Для волны, у которой  < 0n и  становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота 0 в ионосфере увеличиваются с высотой (рис.), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором
показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя. Критическая частота слоя F2 (главный максимум, рис.) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10
Мгц. Для волн с частотой  > кр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь. При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше кр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом 0, испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где (z) = /2.
Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n (z) = sin0. Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: накл = верт sec0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).
Двойное лучепреломление. Существенное влияние на распространение радиоволн оказывает магнитное поле Земли H0 = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление, т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H0 на электрон, движущийся со скоростью , действует сила
Лоренца под действием которой электрон вращается вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяется характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны. По мере распространения радиоволн в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при
распространении поворачивается. В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая. Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты, в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь.
Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис.), сложение которых приводит к замираниям — хаотическим изменениям сигнала. Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее распространение
радиоволн. (метрового диапазона). Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов. Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80—120 км, длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа.
Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита. Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на
Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность распространения радиоволн при одном отражении от ионосферы ~ 3500—4000 км, т.к. угол падения  на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности
Земли (рис.). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис.). Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне.
Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис.). Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис.). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн.
Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом. Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики. Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения.
Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий. Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения
через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5—30 Мгц), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6—10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу
при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис.). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников. Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися
вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи. Сведения о процессах распространения радиоволн в космическом пространстве даёт радиоастрономия. Подземная и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры   10—3—10—2 ом—1м—1.
В этих средах волна практически затухает на расстоянии  . Кроме того, для сред с большой  коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона. В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение
вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной приёмной антенной (рис.). Глубина погружения антенн достигает десятков м. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи
между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы другого типа используют подземные волноводы — слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль, поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность распространения радиоволн до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов,
гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис.). На глубине 3—7 км  может уменьшиться до 10—11 ом—1м—1. При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км, в котором возможно распространения радиоволн на расстоянии до нескольких тыс. км.
Одна из основных проблем подземной и подводной связи — расчёт излучения и передачи энергии от антенн, расположенных в проводящей среде. Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.
С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн принято делить на ряд поддиапазонов: сверхдлинные волны, длинные волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые волны, миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл. 1). Деление радиоволн на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи (табл. 2). Наука, изучающая радио и радиоволны называется
Радиофизикой, область физики, в которой изучаются физические процессы, связанные с электромагнитными колебаниями и волнами радиодиапазона: их возбуждение, распространение, приём и преобразование частоты, а также возникающие при этом взаимодействия электрических и магнитных полей с зарядами в вакууме и веществе. Радиофизика сформировалась в 20—30-е гг. 20 в, объединив разделы физики, развитые применительно к изучению задач радиотехники и электроники. Одним из направлений её исследований является изучение
и распространение радиоволн. Теоретические и экспериментальные исследования излучения различных типов антенн, их электродинамический расчёт, а также изучение распространения радиоволн в различных направляющих и таких приборов как, например, радиоволновод. Радиоволновод, диэлектрический канал (направляющая система) для распространения радиоволн. Боковая поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая  или магнитная  проницаемости и
электропроводность . Боковая поверхность может иметь произвольную форму, но наиболее широко применяются цилиндрические радиоволноводы, в частности цилиндрические металлические полости, заполненные воздухом или каким-либо газом. Поперечное сечение металлического радиоволновода бывает прямоугольным, круглым, П- и Н-образным и т.п. Обычно к радиоволноводам относят только каналы с односвязным сечением; распространение радиоволн в каналах с дву- и многосвязными сечениями рассматривается в теории длинных
линий. Можно показать, что внутри радиоволновод вдоль его оси распространяется волновое поле, которое является результатом многократного отражения волн от внутренних стенок радиоволновода и интерференции отражённых волн. Это определяет главную особенность радиоволновода, которая состоит в том, что распространение волн в них возможно только в том случае, если поперечные размеры радиоволновода сравнимы с длиной волны  или больше . Например, для  = 30 см больший размер а сечения прямоугольного
Р. около 20—25 см. Это обусловливает применение Р. главным образом в области сверхвысоких частот. Радиоволноводы служат направляющими системами в радиолокационных и др. станциях для передачи энергии от передатчика в передающую антенну, от приёмной антенны к радиоприёмнику. Направляющая система на СВЧ имеет вид волноводного тракта, состоящего из отрезков радиоволновода, различных по форме и размерам поперечных сечений; угловых изгибов; вращающихся соединений и многих др. волноводных
узлов (рис.). Для сочленения радиоволноводов разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход 2, рис.). Основным преимуществом металлических радиоволновода по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является минимум потерь на СВЧ; это обусловлено практическим отсутствием излучения энергии в окружающее пространство и тем, что при одинаковых внешних размерах радиоволновода и, например, двухпроводной
линии поверхность радиоволновода, по которой текут электрические токи (при распространении волны), всегда больше, чем поверхность проводников двухпроводной линии. Так как глубина проникновения токов определяется скин-эффектом, то плотности токов, а, следовательно, и потери на джоулево тепло в радиоволноводе меньше, чем в линии. Недостатки радиоволновода: наличие нижнего предела пропускаемых частот; громоздкость конструкции на
дециметровых и более длинных волнах; необходимость большой точности изготовления и специальной обработки внутренней поверхности стенок; сложность монтажа. Исследования в области замедляющих систем играют важную роль в создании систем радиосвязи, передающих и приёмных устройств и др. При изучении распространения радиоволн над поверхностью земли и под нею с учётом конкретных условий, связанных с непостоянством геофизических и космических факторов, радиофизика
соприкасается с геофизикой. Исследование особенностей распространения радиоволн на земных и космических радиотрассах возможно лишь на основе систематического накопления сведений о свойствах тропосферы, ионосферы, приземного и межпланетного космического пространства и их изменчивости во времени. С другой стороны, многие свойства геофизических объектов изучаются в основном радиофизическими методами, то есть по наблюдениям за особенностями протекания волновых и колебательных процессов в радиодиапазоне.
Развитие радиофизики сопровождается открытием новых явлений, находящих практическое применение и составляющих основу новых направлений (например, квантовая электроника). Некоторые разделы радиофизики выделяются в самостоятельные области физики (радиоастрономия, радиоспектроскопия, радиометеорология и др.), где методы радиофизики служат лишь средством изучения явлений, лежащих за пределами радиофизики. Особую роль сыграло проникновение методов радиофизики в оптику.
О некоторых науках вылившихся из радиофизики я хотела бы рассказать поподробнее. Радиометеорология, наука, в которой изучается, с одной стороны, влияние метеорологических условий в тропосфере и стратосфере на распространение радиоволн (главным образом УКВ), с другой — метеорологические явления в тропосфере и стратосфере по характеристикам принимаемых радиосигналов, в том числе собственного излучения атмосферы, как теплового, так и обусловленного электрическим
разрядами. Первые радиометеорологические наблюдения проводились А. С. Поповым с помощью созданного им грозоотметчика. Атмосферики, электрические сигналы, создаваемые радиоволнами, излучаемыми разрядами молний. Вблизи земной поверхности происходит около 100 разрядов молний в 1 сек. Поэтому в любой точке земного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики.
При радиоприёме на слух атмосферики воспринимаются как шорохи или характерные свисты, создающие атмосферные помехи радиоприёму. Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн. Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд — длинные волны, средние волны и даже короткие волны. Максимум энергии атмосферика лежит в области частот порядка 4—8 Кгц. Если атмосферики создаются местными грозами, то их спектр определяется только спектром излучения
грозового разряда. Если же источник — удалённая гроза, то спектр определяется также и условиями распространения радиоволн от очага грозы до радиоприёмного устройства. Некоторые атмосферики воспринимаются на слух как сигналы, частота которых непрерывно уменьшается. Такие атмосферики называются свистящими. Их особенность связана с механизмом распространения сверхдлинных волн. При распространении таких волн в волноводе, образованном нижней границей ионосферы и поверхностью
Земли, происходит частичное «просачивание» их через ионосферу. Просочившиеся волны, распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли, удаляются от поверхности Земли на десятки тыс. км и затем снова возвращаются к Земле. Скорость их распространения зависит от частоты, высокочастотные составляющие сигнала распространяются с большей скоростью и приходят раньше. Это и приводит к возникновению на выходе приёмного устройства
характерного свиста, высота тона которого непрерывно меняется. Исследования атмосфериков дают сведения о механизме распространения сверхдлинных волн, а также о свойствах самых нижних и очень высоких областей ионосферы, в которых распространяются атмосферики. Для расчётов линий радиосвязи построены специальные карты и номограммы, по которым можно определить уровень атмосфериков в каждой точке Земли. Атмосферики создаются не только разрядами при грозе, но и
в конвективных облаках, пыльных и снежных бурях, областях высокой запылённости и др. Наблюдения за ними позволяют определять глобальное распределение грозовой активности, а также местоположение интенсивных фронтов атмосферных. В 20-х — начале 30-х г. г. 20 в. установлено преобладающее влияние метеорологических процессов на распространение УКВ. Распространение радиоволн в атмосфере сопровождается их преломлением, поглощением, отражением и
рассеянием. Интенсивность этих явлений определяется свойствами пространственного распределения показателя преломления n воздуха, являющегося функцией давления, температуры и влажности, а также наличием и свойствами гидрометеоров (продукты конденсации влаги в атмосфере — капли дождя, тумана, облаков) и различных примесей. Соответственно радиосигналы могут содержать информацию о распределении плотности, температуры и влажности воздуха, поле ветра и турбулентности, водности облаков, интенсивности осадков и др.
При распространении радиоволны ослабляются из-за потери электромагнитной энергии, которая поглощается и рассеивается молекулами кислорода O2 и водяного пара, гидрометеорами, частицами аэрозоля и др. неоднородностями. В атмосферных газах ослабление наиболее существенно на волнах 0,25 и 0,5 см для 02 и 0,18 и 1,35 см для водяного пара, где имеет место резонансное поглощение. Суммарное поглощение атмосферными газами и его сезонная изменчивость определяются климатическими особенностями
каждого географического района. В мелкокапельных облаках коэффициент ослабления пропорционален их водности. В осадках наряду с поглощением существенно рассеяние радиоволн, поэтому зависимость ослабления от их водности или интенсивности сложнее. В кристаллических облаках и осадках ослабление существенно меньше, чем в капельножидких. Среди методов исследования атмосферы, использующих распространение радиоволн, наибольшее практическое значение получили радиолокационные.
Измерения теплового излучения атмосферы, подстилающей поверхности и внеземных источников на сантиметровых и более коротких волнах в области интенсивных полос поглощения атмосферными газами используются для определения профилей плотности, влажности и температуры, а также оценки общего влагосодержания в атмосфере. На метеорологических ИСЗ применяют сканирующие радиометры сантиметрового и миллиметрового диапазонов для получения изображений облаков и осадков. Из всего этого мы можем сделать вывод, что радио – одно
из самых великих изобретений человека. Оно используется людьми уже более ста лет. И, скорее всего, будет использоваться ещё многие годы. Литература. 1.Большая Советская Энциклопедия. М 1976 г. 2.История развития радио. Под ред. Смирнова И. А М Молодая гвардия, 1982 г. 3.Связь без проводов. Истомин
С.В. М. Московский рабочий, 1990 г.
| ! |
Как писать рефераты Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов. |
| ! | План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом. |
| ! | Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач. |
| ! | Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты. |
| ! | Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ. |
| → | Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре. |