Что такое радиоволны, и как они распространяются
Радиоволна, согласно различным источникам, это электромагнитное колебание переменного тока, которое способно распространяться в вакууме. Для многих это понятие почти ни о чём не говорит, поэтому, остановимся на данном вопросе подробнее, и постараемся объяснить популярно, что же такое электромагнитное колебание.
Каждый знает, что такое маятник - стоит его только качнуть, и он будет качаться с определённой частотой достаточно долгое время. Со временем, его колебания будут уменьшаться, и, в конце концов, затухнут. То есть, его колебания будут затухающими. Если же маятник периодически подталкивать, то можно сделать так, что он будет качаться постоянно с одинаковой частотой и амплитудой. Здесь уже будут иметь место незатухающие колебания. Фактически, появляется новое явление - резонанс, которое в электротехнике имеет огромное значение. Подталкивая маятник строго в резонанс с его собственными колебаниями, мы можем не только их поддерживать, но также усилить их амплитуду.
Или хороший пример колебательного процесса - звук. Звуковые колебания - это череда зон разрежённых и уплотнённых масс воздуха, которые также взаимно порождают друг друга, за счёт чего могут распространяться на значительные расстояния.
С электромагнитными колебаниями дело обстоит, практически, также! То есть, в природе существуют электрические "маятники". Пример природного электромагнитного "маятника" - молния. Между облаками возникает разность электрических потенциалов, и, как следствие этого - мощный разряд, который вызывает электромагнитную волну - колебание. То есть, это электрическое поле, которое порождает магнитное, а магнитное, в свою очередь, порождает электрическое - и так до бесконечности. Чем больше амплитуда колебаний, тем на большее расстояние распространяется колебание. Электрический колебательный процесс неразрывно связан с такими понятиями, как частота колебаний, длина волны и амплитуда. Зависимость частоты и длины волны может быть описана формулой : W=C/L, где W - частота, Гц; C - скорость света в ваккууме, м/с; L - длина волны, м. То есть, если мы знаем два параметра, то без труда можем определить третий.
Распространение радиоволн различной длины
1. Сверхдлинные и длинные волны с длиной волны более 1 км хорошо распространяются в водной среде и воздушном пространстве. Они отлично огибают даже большие препятствия - горы, холмы, лесистые заросли. В настоящее время применяются лишь для связи с подводными лодками. Сделать портативную рацию на таких низких частотах не представляется возможным из-за требований к длине антенны - она должна быть не менее 250 - 300 м для получения нормального КСВ.
2. Средние волны (длина волны 100 - 1000 м) в былые годы отлично подходили для радиовещания, так как их распространение было возможно на значительные расстояния. Минимальная эффективная длина антенны могла быть от 25 м. Для портативных радиостанций также малоэффективны по той же причине.
3. Короткие волны с длиной волны от 10 до 100 м чрезвычайно эффективны для радиовещания и для радиолюбителей, так как при малых мощностях передатчика возможно дальнее прохождение на тысячи километров за счет отражения их от ионосферы и поверхности земли. Бывали случаи, когда радиолюбители при благоприятных условиях связывались при мощности передатчиков всего 0,1 - 0,5 W с разных континентов. Но для портативных раций также не подходят (минимальная длина антенны должна быть не менее 2,5 м).
4. Ультракороткие волны с длиной волны менее 10 м являются наиболее эффективными для радио и телевещания, а также для радиосвязи. Распространяются по прямой линии в условиях видимости, подобно световым лучам. Чем короче длина волны, тем больше выражен данный эффект. Огибание препятствий почти невозможно, и также ухудшается с укорочением длины волны. УКВ волны пронизывают ионосферу почти без потерь, что даёт возможность организовать с их помощью спутниковую связь. Хорошо подходят для портативных раций, особенно волны длиной 2 м и менее (требуемая длина антенны может быть меньше 50 см).
Чем короче длина волны (то есть, чем выше частота), тем большей энергетической плотностью обладает электромагнитное поле. Эта плотность измеряется в электрон - вольтах (Эв). Высокая плотность способствует повышению напряжённости поля. Зато при повышении частоты возрастают потери в атмосфере из-за присутствия пыли и водяных паров. Поэтому, дальность связи при прочих равных условиях на различных частотах будет примерно одинакова.
КСВ - коэффициент стоячей волны. Чем больше он приближается к единице, тем лучше.
Как люди смогли "приручить" электромагнитные колебания
Первые опыты по использованию электромагнитных волн проводились в конце 19 века. Почти в одно и то же время различные учёные в разных странах изобрели устройства по созданию и обнаружению электромагнитных колебаний. В частности, в России это был А.С. Попов, который смог продемонстрировать беспроводную связь на расстояние в 600 м, затем добился дальности 20 км, а в последствии увеличил её до 150 км. Конечно, первые аппараты для проведения связи были примитивными - фактически, связь была только телеграфной. В качестве передатчика применялся разрядник - между металлическими шарами, после прикладывания к ним высокого напряжения, возникал разряд, вызывающий вспышку затухающих колебаний. Приемником служило устройство с названием "когерер". Это была ёмкость, заполненная токопроводящим составом - обычно, применяли смесь железных опилок и графитового порошка. При появлении в антенне сигнала, слабый ток проходил через когерер, вызывая небольшое встряхивание проводящего состава, и, как следствие - изменение его электропроводности, что регистрировалось пропусканием через него постоянного тока.
Теперь же, радиосвязь развилась настолько, что поражает воображение. Для обработки сигналов применяют сложнейшие электронные схемы на основе полупроводников. Люди научились использовать, практически, весь спектр радиоволн - от сверхдлинных в десятки километров (частота колебаний всего 30 - 50 кГц) до ультракоротких с длиной волны меньше сантиметра (частота десятки и сотни ГГц). Также стало возможным передавать звуковые колебания с высоким качеством и спектром звуковых колебаний 30 Гц - 15 кГц в стереорежиме.
Для любительской и профессиональной связи полоса звуковых частот может быть сужена до 300 Гц - 3 кГц, что достаточно для разборчивого восприятия речи. При этом, в передатчике рации применяется амплитудная (АМ) или частотная модуляция (ЧМ). Последняя приобрела широкое распространение по причине явных преимуществ (большая помехоустойчивость и высокое качество речевого сигнала). В современных рациях эта модуляция называется узкополосной ЧМ (FM) с девиацией частоты 2,5 - 5 кГц. Девиация - это изменение частоты основных высокочастотных колебаний (несущей), которые передаются в эфир, с частотой звукового спектра, который является полезным передаваемым сигналом. В приемнике этот спектр выделяется и усиливается до уровня, необходимого для работы динамика рации.
Несущая частота (к примеру 400 МГц) образуется в результате умножения частоты опорного генератора колебаний в синтезаторе. Опорный генератор - это электронная схема, вырабатывающая электрические колебания с постоянной амплитудой и частотой (используется все то же явление резонанса - генератор сам себя "подталкивает"). 400 МГц - это очень высокая частота, 400 миллионов электрических колебаний в секунду. Длину волны также нетрудно узнать, согласно приведённой выше формуле. Получается около 70 см. То есть, каждые 70 см магнитная составляющая меняется на электрическую и т.д. Частота настолько высока, что сигнал, проходя по проводу, быстро излучается в пространство, порождая радиоволны. Достаточно лишь 17 см антенны (четверть длины волны), чтобы почти вся мощность сигнала пошла на излучение. Из этих соображений данный диапазон может быть эффективно использован для радиосвязи при минимальных значениях мощности передатчика.
