что такое диапазон волны

Что такое диапазон волны

Данный раздел дает общее представление о свойствах и использовании диапазонов радиочастотного спектра, перечисленных в таблице 1-1 главы 1. Подробную информацию об этих диапазонах, в т.ч. описание особенностей распространения радиоволн, включая физику и параметры взаимодействия с земной поверхностью, водой, атмосферой и ионосферой, а также направлений иcпользования, служб и технических средств пользователей диапазонов, см. в специальных публикациях по ссылкам в данной главе.

2.1. ДИАПАЗОНЫ СВЕРХДЛИННЫХ ВОЛН

2.1.1. Диапазоны ELF, лежащие ниже ELF/КНЧ

Данные диапазоны относятся к радиочастотному спектру достаточно условно, поскольку присутствующие в них естественные электромагнитные колебания вблизи поверхности Земли представлены, преимущественно, магнитной компонентой, обусловленной, главным образом, быстрыми вариациями магнитных полей земного ядра и магнитосферного динамо, сумма которых именуется геомагнитными пульсациями. Геомагнитные пульсации являются источником полезной информации в различных геофизических исследованиях, а также используются для мониторинга опасных для человека и технических систем уровней возмущенности геомагнитного поля.

Для целей радиосвязи данный участок частотного спектра электромагнитных колебаний интереса не представляет по причине нереализуемости передающих устройств и антенн в рамках существующего и прогнозируемого уровня техники, а также высокого уровня помех, которыми фактически являются геомагнитные пульсации.

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.2.1. График измеренных (цветные) и прогнозируемых (серые) значений индекса возмущенности геомагнитного поля Kp.

2.1.2. Диапазон ELF/КНЧ

Длина волн этого диапазона сопоставима с длиной земного экватора, они полностью отражаются слоем D ионосферы, а их поглощение землей и водой незначительно. Поэтому они могут почти без затухания огибать весь земной шар за один или несколько периодов, а также проникать на глубину в несколько сот метров под воду и под землю.

В данном диапазоне лежит основная часть спектра резонансов Шумана и резонансов Альфвена, поэтому он используется для мониторинга последних в интересах различных геофизических и медико-биологических исследований, в т.ч. при исследовании процессов в литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере, а также при иследовании влияния сверхнизкочастотных электромагнитных полей на живые организмы.

Создание передающих устройств в данном диапазоне при современном уровне техники также проблематично, поэтому как диапазон радиосвязи он пока не востребован, однако соответствующие исследования в интересах связи с подводными и подземными объектами, находящимися на больших глубинах (сотни метров), ведутся.

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.2.2. Спектр и сигналы резонансов Шумана в диапазоне КНЧ

2.1.3. Диапазон ELF/СНЧ

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.1.3. Спектрограмма сигнала 82 Гц комплекса ЗЕВС
(источник иллюстрации: vlf.it)

2.1.4. Диапазон ULF/ИНЧ

Дальность распространения радиоволн этого диапазона, в отличие от предыдущих двух, уже не носит глобального характера, но все еще достаточно велика и может достигать 10 тыс. км и более. Они также способны проникать под воду и под землю, но на меньшие глубины. Однако для целей радиосвязи этот диапазон по совокупности таких параметров, как уровень помех, габариты антенн, дальность распространения волн и их проникающая способность, не востребован, уступая диапазонам ELF/СНЧ и VLF/ОНЧ.

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.1.4. Спектрограммы сигналов вистлеров в диапазоне ИНЧ
(источник иллюстраций: spaceweather.com)

2.1.5. Диапазон VLF/ОНЧ

Радиоволны этого диапазона распространяются на меньшие расстояния и проникают на меньшие глубины по сравнению с радиоволнами диапазона ELF/ИНЧ. Однако, при все еще гигантских, но уже технически и экономически приемлемых размерах передающих антенн и мощностях передатчиков, в нем достигается достаточно высокая дальность устойчивой связи (до 5-10 тысяч км и более) и глубина проникновения под воду (до 6-10 м), в связи с чем он, в первую очередь, широко используется для организации односторонней связи с подводными лодками на ближней и средней дистанции, причем не только в США и РФ, но и в других, развитых в военно-промышленном отношении, странах, в частности, в ряде стран НАТО.

Данный диапазон также был и еще остается востребован в системах передачи сигналов эталонных частот, точного времени и метеорологической информации, в системах дальней радионавигации (в т.ч. в системах Альфа и Омега), для передачи сигналов синхронизации, оповещения о чрезвычайных ситуациях и т.д., при этом на уровне передающих комплексов часто совмещаясь с комплексами связи с подводными лодками.

С этого диапазона (с 8,3 кГц) начинается распределение частот регламентом ITU.

Рис.2.5. Схема и панорама антенн VLF радиостанции ВМФ США (Cutler, ME) для связи с ПЛ.
(источник иллюстрации: Ed Kardjala. The biggest little antenna in the world.)

2.2. ДИАПАЗОН ДЛИННЫХ ВОЛН LF/НЧ

Рис.2.6. Радиопередатчик DCF77, его радиосигнал и наручные часы, синхронизируемые по этому радиосигналу (источник иллюстраций: www.ptb.de)

2.3. ДИАПАЗОН СРЕДНИХ ВОЛН MF/СЧ

2.4. ДИАПАЗОН КОРОТКИХ ВОЛН HF/ВЧ

Связь поверхностной волной в КВ диапазоне возможна лишь на расстояниях, измеряемых десятками км. Однако за счет поочередного отражения от ионосферы и земли радиоволны этого диапазона могут распространяться на весьма значительные расстояния, измеряемые тысячами километров, а при благоприятных условиях и на расстояния 10-20 тысяч км. В то же время, в связи с зависимостью свойств ионосферных слоев от частоты, времени суток и года, солнечной активности и других факторов, дальнее распространение коротких волн нестабильно, и эта нестабильность растет с ростом частоты.

За счет скачкообразного распространения КВ радиоволн зоны приема чередуются с т.н. мертвыми зонами, в которые отраженные от ионосферы волны не попадают. Кроме того, за счет кратковременных флуктуаций в ионосферных слоях и интерференции радиоволн в точке приема за счет их многолучевого распространения, для связи на КВ характерны замирания (фединги), в т.ч. очень глубокие, которые могут иметь место, в отличие от диапазона средних волн, в любое время суток, особенно в высокочастотной области. Еще одним недостатком является значительное ухудшение прохождения в верхней части КВ диапазона в периоды минимума солнечной активности.

В связи со своей «дальнобойностью» при малых габаритах антенн и малых мощностях передатчиков КВ диапазон востребован практически всеми радиослужбами, включая и спутниковые (на прием). Он предоставляет широчайшие возможности радиовещанию, а также любительской связи. В связи с возможностью изготовления направленных антенн с диаграммой, изменяемой путем механического вращения самой антенны или изменения фазы питающих напряжений ее излучающих элементов (фазированные антенные решетки), с этого диапазона начинается использование радиочастотного спектра радиолокаторами, в первую очередь, загоризонтными, радиотелескопами радиоастрономической службы, а также средствами активного воздействия на ионосферу типа HAARP.

Рис.2.8. Армейский КВ приемник прошлого века Р-250М, современный радиолюбительский КВ трансивер и компьютерная карта КВ-приемника

2.5. ДИАПАЗОНЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

В отечественной теории и практике радиоволны с длиной волны менее 10 метров относят к ультракоротким. Их особенностью является то, что они обладают малой дифракцией, т.е. не могут огибать земную поверхность, и проходят, не отражаясь, сквозь ионосферу, уходя в космическое пространство. По этим причинам УКВ радиоволны распространяются в пределах прямой видимости, за исключением некоторых особых случаев, характерных для низкочастотной области и связанных с рассеянием на неоднородностях тропосферы, а также отражением от метеорных следов, от спорадического ионосферного слоя Es при его образовании и от ионосферных областей полярных сияний.

Несмотря на общие особенности ультракоротких волн, каждый их диапазон имеет свои характерные особенности, связанные в т.ч. с их поглощением атмосферой, пропускной способностью радиочастотного спектра и ограничениями технической реализации приемо-передающих средств.

2.5.1. ДИАПАЗОН МЕТРОВЫХ ВОЛН VHF/ОВЧ

Рис.2.9. Телевизионная коллективная антенна 1-12 каналов (слева) и антенна любительского диапазона 2м для связи через Луну (справа)

2.5.2. ДИАПАЗОН ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН UHF/УВЧ

Надо также отметить, что габариты антенн диапазона ДМВ позволяют строить из них компактные фазированные антенные решетки с управляемой диаграммой направленности для РЛС подвижных сухопутных и морских объектов, например, для мобильных систем ПВО.

Рис.2.10. Корабельный комплект морской спутниковой связи INMARSAT (слева) и мобильная РЛС ПВО с фазированной антенной решеткой ДМВ диапазона (справа)

2.5.3. ДИАПАЗОН САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН SHF/СВЧ

С этого диапазона уже начинается полный набор проблем с распространением радиоволн в атмосфере и ионосфере, в т.ч. поглощение, мерцание, дисперсия, изменение частоты, вращение плоскости поляризации, временнЫе задержки и пр. В то же время, габариты антенн здесь уменьшаются настолько, что становится возможным применение компактных параболических антенн с очень высоким коэффициентом направленного действия, что необходимо для приема радиосигналов с геостационарных спутников, например, сигналов спутникового телевидения. Габариты высокоэффективных фазированных антенных решеток в этом диапазоне позволяют компактно размещать их на летательных аппаратах. Кроме того, сверхвысокая частота позволяет получать высокое разрешение радиолокации и измерять скорость объектов по доплеровскому смещению отраженного сигнала. По этим причинам данный диапазон широко используется в бортовых РЛС целеуказания и в РЛС систем управления воздушным движением, а также в радарах дорожно-патрульных служб.

В нижней своей части сантиметровый диапазон востребован теми же системами, что и диапазон дециметровых волн. В частности, здесь представлен верхний диапазон сетей WiFi, верхние диапазоны (фидерные линии) системы морской спутниковой связи INMARSAT, системы воздушной и морской радионавигации, радиорелейные линии фиксированной службы, а также любительская связь, в т.ч. спутниковая и с отражением от Луны.

Кроме того, различные эффекты взаимодействия со средой, в т.ч. указанные выше, которые, с одной стороны, негативно влияют на радиосвязь, с другой стороны позволяют получать ценную информацию о данной среде. Поэтому сантиметровый диапазон широко востребован спутниковыми системами дистанционного зондирования земли и наземными системами зондирования атмосферы и ионосферы, в т.ч. в метеорологии.

Рис.2.11. Бортовая РЛС с фазированной антенной решеткой (слева) и экран погодного радара (справа)

2.5.4. ДИАПАЗОН МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН EHF/КВЧ

В связи с дефицитом ресурсов более низких частот, освоение миллиметрового диапазона становится делом ближайшего будущего. В частности, его планируется использовать для систем сотовой связи 5G, а также для систем HAPS (High Altitude Platform Systems), основанных на применении ретрансляторов, располагаемых на высоте 20-25 километров, например, на аэростатах.

Особо следует отметить, что в этом диапазоне планировал управлять погодой, в частности, в целях нейтрализации торнадо, «папа» суперпроекта HAARP Бернард Дж. Истлунд.

Рис.2.12. Аэростат системы HAPS, полицейский радар и проект Истлунда Tornado mitigation

2.5.5. ДИАПАЗОН ДЕЦИМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН HHF/ГВЧ

Внимание! Данный диапазон, особенно в русскоязычных источниках, часто называется диапазоном субмиллиметровых волн.

Как уже отмечалось в главе 1, децимиллиметровое радиоизлучение фактически лежит в нижнем участке спектра дальнего инфракрасного излучения, поэтому отнесение его к радиочастотному ресурсу сомнительно. Тем не менее в регламенте ITU интервал частот от 300 до 3000 ГГц присутствует, хотя и не распределен.

В настоящее время этот диапазон находится в стадии фундаментальных исследований и опытно-экспериментальных разработок, поэтому подробно и объективно говорить о его возможностях и проблематике, а также о представленных в нем службах не приходится. Однако ему предсказывают большое будущее в области систем технического зрения, в т.ч. в области разнообразных систем идентификации, опознавания, охраны, безопасности, сканирования и т.д. Это связано с возможностью получения изображений наблюдаемых объектов с высоким разрешением, сравнимым с разрешением инфракрасных систем, но при этом еще и с возможностью видеть через определенные препятствия, непрозрачные для оптического излучения, например, через пластиковые панели и оболочки, перегородки из керамики (т.е. из кирпича!), через биологические ткани и др.

Несмотря на преимущественно исследовательскую стадию освоения децимиллиметров есть и определенные практические результаты, например, в части использования этого диапазона в астрономии, спектроскопии, сканировании багажа и пассажиров на предмет обнаружения запрещенных к провозу предметов и др.

Рис.2.13. Схема лампы обратной волны для генерации децимиллиметровых колебаний

Источник

Что такое радиоволны?

Краткий обзор

В данной статье объясняется что такое радиоволна, рассказывется история возникновения радиоволновой теории, классификации и применение радиоволн различной длины.

Теория

Радиоволны представляют собой электромагнитное излучение, а также микроволны, инфракрасное излучение, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Наиболее известное использование радиоволн – для общения. Телевещание, мобильная связь и радиоприемники получают радиоволны и преобразуют их в механические вибрации в динамике для создания звуковых волн, которые можно услышать.

Электромагнитное излучение передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны, увеличения энергии и частоты. Основными являются радиоволны, микроволны, инфракрасные (ИК), видимые, ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские и гамма-лучи.

По данным НАСА, радиоволны имеют самые длинные волны в электромагнитном спектре, в диапазоне от примерно 1 миллиметра до более чем 100 километров. Они также имеют самые низкие частоты: от 3 кГц до 300 ГГц.

Открытие

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, который разработал единую теорию электромагнетизма в 1870-х годах, предсказал существование радиоволн. Несколько лет спустя немецкий ученый Генрих Герц применил теории Максвелла для создания и получения радиоволн. Единица частоты волны электромагнитного излучения – один цикл в секунду – называется герцем в его честь.

Герц использовал разрядник, прикрепленный к индукционной катушке, и отдельный разрядник на приемной антенне. Когда волны, создаваемые разрядником передатчика катушки, были пойманы приемной антенной, электрические разряды начинали перескакивать через зазор между разрядниками. Герц доказал в своих экспериментах, что эти сигналы обладают всеми свойствами электромагнитных волн.

Диапазоны радиоволн

Национальное управление электросвязи и информации обычно делит радиочастотный спектр на девять полос.

Радиочастотные диапазоны НЧ и CЧ включают в себя морскую и авиационную радиосвязь, а также коммерческую связь. Большинство радиостанций в этих диапазонах используют амплитудную модуляцию, чтобы перевести полученные данные в слышимый сигнал на радиоволновую частоту. Мощность или амплитуда сигнала изменяются или модулируются со скоростью, соответствующей частотам слышимого сигнала, такого как голос или музыка. Когда сигнал частично заблокирован, громкость звука соответственно уменьшается.

ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазоны включают FM-радио, широкополосный телевизионный сигнал, радиослужбы общественного вещания, мобильные телефоны и GPS. Эти полосы обычно используют частотную модуляцию, чтобы перевести звуковой сигнал или сигнал данных на несущую волну. В этой схеме амплитуда сигнала остается постоянной, а частота изменяется немного выше или ниже со скоростью и величиной, соответствующей звуку или сигналу данных. Это приводит к лучшему качеству сигнала, чем с амплитудной модуляцией, поскольку факторы окружающей среды не влияют на частоту так, как они влияют на амплитуду, и приемник игнорирует изменения амплитуды, пока сигнал остается выше минимального порога.

Коротковолновая радиостанция

По данным Национальной ассоциации коротковолновых радиовещателей (NASB), радиоволны с короткой волной используют частоты в диапазоне ВЧ, от примерно 1,7 МГц до 30 МГц. В этом диапазоне коротковолновый спектр разделен на несколько сегментов, некоторые из которых отведены регулярным радиовещательным станциям, таким как «Голос Америки», Британская вещательная корпорация и «Голос России». По данным NASB, во всем мире есть сотни коротковолновых станций. Около 25 частных коротковолновых станций лицензированы в Соединенных Штатах Федеральной комиссией по связи.

По словам NASB, коротковолновые станции можно услышать на тысячи миль, потому что сигналы отражаются от ионосферы и возвращаются назад, на сотни или тысячи миль от места их происхождения.

FM-стерео

По мере роста популярности двухканальной стереофонической музыки спрос на стерео-радиовещание тоже вырос. Однако одноканальные (монофонические или моно) радиостанции уже широко используются и, вероятно, останутся таковыми в обозримом будущем. Проблема заключалась в том, чтобы создать систему, которая могла бы производить стереомузыку, но все же быть совместимой с существующими моноприёмниками.

Очень высокие частоты

СВЧ и КВЧ представляют собой самые высокие частоты в радиодиапазоне и иногда считаются частью микроволнового диапазона. Молекулы в воздухе, как правило, поглощают эти частоты, что ограничивает их диапазон и применение. Однако их короткие длины волн позволяют передавать сигналы в узких волнах с помощью параболических антенн, поэтому они могут быть эффективны для ближней связи с высокой пропускной способностью между фиксированными местоположениями. СВЧ, который меньше влияет на воздух, чем КВЧ, используется для устройств малого радиуса действия, таких как Wi-Fi, Bluetooth и беспроводной USB. Кроме того, волны СВЧ имеют тенденцию отскакивать от объектов, таких как автомобили, лодки и самолеты, поэтому эта полоса часто используется для радара.

Астрономические источники радиоволн

Космос изобилует радиоисточниками. К ним относятся планеты, звезды, газовые и пылевые облака, галактики, пульсары и даже черные дыры. Эти источники позволяют астрономам узнать о движении и химическом составе этих источников, а также о процессах, вызывающих эти выбросы.

По словам Роберта Паттерсона, профессора астрономии в Университете штата Миссури, астрономы используют большие радиотелескопы для картирования холодных нейтральных водородных облаков в галактиках. Эти облака представляют особый интерес, поскольку они выстраиваются вдоль спиральных рукавов галактик, таких как Млечный Путь, позволяя ученым отображать структуру облаков.

Специфические радиочастоты, соответствующие резонансным частотам общих атомов и молекул, зарезервированы FCC для исключительного использования радиоастрономами для предотвращения создания помех поскольку радиотелескопы чрезвычайно чувствительны к ним. Список этих частот можно найти на веб-сайте Национальной астрономии и ионосферы.

Согласно NASA, радиоастрономы часто объединяют несколько меньших радиотелескопов в массив, чтобы сделать более четкое или более высокое разрешение радио изображения. Например, радиотелескоп с очень большим массивом (САР) в Нью-Мексико состоит из 27 антенн, расположенных в огромном Y образце до 22 миль (36 км) в поперечнике.
По данным НАСА, радиотелескоп видит небо совсем не так, как кажется в видимом свете. Вместо того, чтобы видеть похожие на точки звезды, такой телескоп захватывает удаленные пульсары, звездообразующие области и остатки сверхновых.

Источник

Что такое диапазон волны

Рекомендуем полезные ссылки по теме:

Что такое радиоволны

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации. Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него. Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Пример распределения спектра между различными службами [1].
Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:

Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.
В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.

Как распространяются радиоволны

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.
Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

Распространение длинных и коротких волн [2].

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.
Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.
Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.

Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн
в зависимости от частоты и времени суток [1].

Распространение коротких и ультракоротких волн [2].

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ
волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.
Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно
послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи.
Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных
направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча.
При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.

Параболические направленные антенны [1].

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, сильно ограничивающей дальность связи.
Мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества.

Источник