Классификация радиоволн и параметры антенных устройств - OXFORDST.RU

Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

Классификация радиоволн по диапазонам и способу распространения

При создании конкретных радиолиний, радиоэлектронных средств или радиолокационных станций разработчик имеет возможность задавать параметры как передающей, так и приемной их части, но никакому управлению (кроме специальных случаев) не поддается среда, в которой свободно распространяются радиоволны. Между тем ее физические свойства подвержены непрерывному, часто случайному изменению из-за естественных явлений в природе. Для объяснения и учета этих явлений, оказывающих влияние на распространение радиоволн, необходимо иметь достаточно полные данные о физических свойствах земной атмосферы, поверхности суши, моря, знать, как изменяется среда, где распространяются радиоволны, в течение суток, времени года, солнечной активности.

Замечено, что радиоволны различных диапазонов распространяются по-разному. Именно длина волны определяет особенности распространения энергии радиоволн. Поэтому приведем их классификацию по диапазонам частот (табл. 5.1).

По рекомендациям Международного консультативного комитета по радио (МККР) диапазоны электромагнитных волн в герцах определяются выражением (0,3 – 3) 10 N ,где N– порядковый номер диапазона.

В 1992 году МККР (CCIR:- Comiteconsultatifinternationalpourlaradio) был преобразован в InternationalTelecommunicationUnion – RadiocommunicationSector (ITU-R): Сектор радиосвязи Международного Союза Электросвязи (МСЭ).

Принято относить к радиоволнам электромагнитные колебания, длина которых лежит в диапазоне от 10000 км до 0,1 мм, что соответствует частотам колебаний от 30Гц до 3000 ГГц (табл. 5.1). Вплотную к крайне высокой части радиодиапазона примыкают инфракрасный и оптический диапазоны, в которых работают тепловизоры, системы наведения, оптические квантовые генераторы и приемники, инфракрасные и оптические локационные системы, нашедшиеширокое применение в ВМФ.

Таблица 5.1 Классификация диапазонов частот электромагнитных волн

Номер диапазона Диапазон частот Наименование, частота Диапазон волн (длинаволны) Наименованиеволн Используемые термины Область применения
РАДИОВОЛНЫ
0,03 … 30 кГц ОНЧ (VLF) Очень низкиечастоты 10000. 10 км Мириаметровые Сверхдлинные волны Радиосвязь с подводными лодками в подводном положении, радионавигация.
30 … 300 кГц НЧ (LF) Низкие частоты 10 … 1 км Километровые Длинные волны Радионавигация, передача сигналов точного времени кораблям и судам в море, различного вида оповещений, включая навигационные.
300 …3000 кГц СЧ (MF ) Средние частоты 1000 – 100 м Гектометровые Средние волны Радионавигация, радиосвязь с судами, радиовещание, передача прогнозов погоды, навигационных оповещений.
3 … 30 МГц ВЧ (HF) Высокие частоты 100 … 10 м Декаметровые Короткие волны Радиосвязь, загоризонтная радиолокация.
30 … 300 МГц ОВЧ (VHF) Очень высокие частоты 10 … 1 м Метровые Ультракороткиеволны Радиосвязь, телевидение, радионавигация.
300 …3000 МГц УВЧ (UHF) Ультравысокие частоты 100 … 10 см Дециметровые волны Ультракороткиеволны Радиосвязь, радиолокация, телевидение, спутниковая, тропосферная радиосвязь, сотовые системы связи.
3 …30 ГГц СВЧ ( SHF ) Сверхвысокиечастоты 10 … 1 см Сантиметровые волны Ультракороткие волны Радиолокация, спутниковая и радиорелейная связь, спутниковое телевидение, промышленный нагрев материалов, медицина.
30 … 300 ГГц КВЧ (EHF) Крайне высокие частоты 10 … 1 мм Миллиметровые волны Ультракороткиеволны Радиосвязь за пределами атмосферы,радиолокация, радиорелейная связь.
300 … 3000 ГГц ГВЧ (HHF)Гипервысокие частоты 1 … 0, 1 мм Децимиллиметровые волны Перспективный диапазон.

ИЗЛУЧЕНИЯ
310 12 ..3,8 10 14 Гц Инфракрасное излучение 100 … 0.78 мкм Тепловое излучение Пассивная локация, устройства самонаведения, волоконно-оптические системы связи, лазеры, охранные системы.
3,8 10 14 …7,8 10 14 Гц Оптическое излучение 0,78 … 0,38 мкм Видимый свет Оптическая локация, лазерные гироскопы и дальномеры, космические и лазерные системы связи, промышленная резка металла, медицинские лазеры, лазерное оружие, др.
7,8 10 14 …3 10 16 Гц Ультрафиолетовое излучение 0,38 … 0,01 мкм Ультрафиолетовое излучениесолнца Охранные системы, медицина.
3 10 16 … 3 10 19 Гц Рентгеновское излучение 0,01 мкм … 0,00001 мкм Рентгеновское излучение солнца, радиоактивных материалов Приборы дефектовки металлов, медицина, рентгеновские приборы и др.

В основу деления радиоволн на указанные диапазоны положен десятичный принцип, учитывающий в то же время различия в способах их генерации, приема и особенности распространения волн каждого диапазона.

В оптическом диапазоне по мере уменьшения длины волны все в большей степени проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и все меньше его волновые свойства. Поэтому при наименовании диапазонов обычно говорят о сантиметровых, миллиметровых волнах, но об инфракрасном и оптическомизлучении.

Вспомним, чем же характеризуются радиоволны?

Такие характеристики радиоволны, как амплитуда, Нм, Ем, ее длина λ видны из рисунка 5.2.

Рисунок 5.2 – Вид электромагнитной волны в среде без потерь

в фиксированный момент времени

Длина волны связана с ее частотой простым соотношением

(5.1)

где с=3∙10 8 м/с – скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве;

f– частота радиоволны, Гц.

Иначе, длина волны — это путь, проходимый волной за период ее колебания. Скорость распространения радиоволны зависит от свойств среды, в которой распространяется волна, т. е. ее диэлектрической Ɛ и магнитной µ проницаемостей:

.(5.2)

Если распространение волны происходит в среде с потерями, то амплитуда ее убывает по закону

.

где z – путь, пройденный волной в среде с потерями;

α–икоэффициент затухания волны в конкретной среде.

Уравнение волны для среды с потерями запишется

. (5.3)

где к=/ λ – волновое число.

Другие параметры волны, например, ее поляризация, постоянная распространения, фаза, фронт и луч волны были подробно рассмотрены в части 1 главы 3 данного пособия.

Говоря о свободно распространяющихся радиоволнах, отметим, что распределение поля в пространстве определяется только диаграммами направленности антенн, параметрами суши или моря и атмосферы Земли.

Рисунок 5.3 – Способы (механизмы) распространения радиоволн

В большинстве практических случаев передающий и приемный пункты радиолинии располагаются либо на Земле, либо близко от ее поверхности. Электромагнитные волны, излучаемые передающей антенной, приходят в приемный пункт разными путями, т. е. Земля и окружающая ее атмосфера существенно влияют на характер распространения радиоволн.

Приведем классификацию способов (механизмов) распространения радиоволн в окружающем пространстве.

Волны, распространяющиеся между передающим и приемным пунктами по прямолинейной траектории, называются прямыми, а распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции получили название поверхностных или земных волн.

Например, радиосвязь между космическими объектами, высоколетящими самолетами, радиолокационное наблюдение за целями осуществляются прямыми радиоволнами (рис. 5.3, а). Распространение электромагнитной энергии прямыми волнами характерно для радиоволн всех диапазонов.

Поверхностные волны также имеют место при распространении радиоволн всех диапазонов. Однако практическое значение поверхностные волны приобретают для длинноволновой части радиодиапазона (рис. 5.3, б).

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния (несколько тысяч километров) и способные огибать земной шар в результате отражений от ионизированных слоев атмосферы и поверхности Земли, называются пространственными волнами
(
рис. 5.3, в).

Кроме того, к приемному пункту радиолинии могут приходить радиоволны (в диапазоне дециметровых, метровых волн) с расстояний примерно 1 000 км за счет рассеяния в нижнем слое атмосферы, называемом тропосферой. Такие волны получили название тропосферных волн(рис.5.3, г).

Классификация радиоволн и параметры антенных устройств (стр. 1 из 2)

АКАДЕМИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Физика

Тема: «Классификация радиоволн и параметры антенных устройств».

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения…….4

В настоящее время широкое распространение получила техника связи, в которой используется приемо-передатчик, работающий в диапазоне радиоволн. Но мало кому известно, что это за волны, каковы принципы передачи информации с их помощью. В данной работе мы постараемся на доступном уровне рассказать о классификации радиоволн, о способах их распространения, а также проанализируем основные параметры радиопередающих антенных устройств. Ведь в современном мире радиосвязь, радиовещание имеют огромное значение.

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения.

Одной из важнейших характеристик любой реальной радиолинии, является преобладающий способ распространения электромагнитной волны. Он ограничивает максимальную дальность связи и скорость передачи информации, определяет медианный множитель ослабления, период и глубину замираний сигнала, условия ЭМС различных радиоэлектронных средств и т. д. В свою очередь преобладание того или иного способа распространения на данной трассе определяется рабочей частотой. Поэтому, большую практическую значимость имеет деление радиоволн по диапазонам частот (волн) и по способам их распространения.

Читайте также  Матрицы и определители

Деление радиочастот и радиоволн на диапазоны, установлено международным регламентом радиосвязи. В соответствии с этим регламентом весь спектр электромагнитных волн и частот делят на ряд диапазонов, номера которых «n» определяют их нижние (исключительно) 0,3×10 n Гц и верхние (включительно) 3×10 n Гц частоты. При этом часть свободно распространяющихся в природных условиях ЭМВ, использующихся в радиотехнике для передачи сигналов, называют радиоволнами. К радиоволнам относятся диапазоны с n= 4¸12, наименование которых приведено в таблице 1.

n Граничные частоты Наименование диапазона частот Граничные длины волн Наименование диапазона волн
4 3–30 кГц Очень низкие (ОНЧ) 100–10 км Мириаметровые или сверхдлинные (СДВ)
5 30–300 кГц Низкие (НЧ) 10–1 км Километровые или длинные (ДВ)
6 0,3–3 МГц Средние (СЧ) 1000–100 м Гектометровые или средние (СВ)
7 3–30 МГц Высокие (ВЧ) 100–10 м Декаметровые или короткие (КВ)
8 30–300 МГц Очень высокие (ОВЧ) 10–1 м Метровые (МВ)
9 0,3–3 ГГц Ультравысокие (УВЧ) 100–10 см Дециметровые (ДМВ)
10 3–30 ГГц Сверхдлинные (СВЧ) 10–1 см Сантиметровые (СМВ)
11 30–300 ГГц Крайневысокие (КВЧ) 10–1 мм Миллиметровые (ММВ)
12 0,3–3 ТГц Гипервысокие (ГВЧ) 1–0,1 мм Децимиллиметровые (ДММВ)

Опираясь на принятую десятичную классификацию, ширину спектра соответствующего диапазона определяют по формуле:

Эволюцию практического использования диапазонов радиоволн можно обозначить несколькими этапами.

На первом этапе развития радиотехники (примерно до 1918 года), потребности радиосвязи удовлетворялись в основном за счёт использования диапазонов СДВ и ДВ. Электромагнитные волны указанных диапазонов обладают хорошим круглосуточным распространением вокруг Земли и поэтому наиболее пригодны для систем глобальной радиосвязи, радионавигации и морской подвижной радиосвязи.

В то же время, к недостаткам практического использования указанных диапазонов следует отнести: громоздкостью антенных устройств, наличие высокого уровня атмосферных и промышленных помех, низкую пропускную способностью радиотракта.

На втором этапе (примерно до 1940года), с появлением и развитием таких областей прикладной радиотехники как: радиосвязь и радиовещание, радионавигация и радиолокация, возникла необходимость в использовании более высокого диапазона радиочастот. В частности, стали осваиваться СВ, имеющие те же преимущества и недостатки (но менее выраженные), что и ДВ, а также KB, которые на большие расстояния распространяются путём многократного отражения от земной поверхности и ионосферы. Радиоволны КВ диапазона оказались пригодными не только для глобальной радиосвязи и радиовещания, но и для различных систем подвижной и радиолюбительской связи. Однако в точку приёма радиоволны КВ диапазона как правило приходят различными путями, что приводит к явлению интерференции ЭМВ и, как следствие, к быстрым и глубоким изменениям уровня принимаемого сигнала.

Наконец на третьем, современном этапе, когда быстрыми темпами продолжают развиваться прежние службы радиосвязи и появились новые (подвижная и космическая радиослужбы, телеметрия, телеуправление и др.), радиоспециалисты были вынуждены обратиться и к остальным диапазонам радиоспектра.

Самое широкое применение в различных областях практической деятельности человека нашли MB. Электромагнитные волны этого диапазона слабо подвержены таким явлениям как дифракция и рефракция, но, в то же время, испытывают сильное ослабление при распространении вдоль поверхности Земли. В диапазоне МВ уровень атмосферных и индустриальных радиопомех значительно меньше, чем в выше рассмотренных диапазонах и поэтому доминирующими становятся помехи космического происхождения.

Распространение ДМВ и СМВ, так же как и МВ ограничивается, как правило, областью прямой видимости. Однако за счет механизма рассеяния и отражения электромагнитных волн слабыми неоднородностями тропосферы, экспериментально обнаруженного в начале 50-х годов, радиосвязь в этих диапазонах может осуществляться и на значительно большие расстояния, чем расстояние прямой видимости.

ДМВ и СМВ используются, как правило, в радиолокации, радионавигации, телевидении, в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи, так как в этих диапазонах острую направленность антенн можно получить в совокупности с относительно небольшими их габаритами. Кроме этого, практическое отсутствие в диапазонах ДМВ и СМВ индустриальных радиопомех, а также слабой зависимости условий распространения ЭМВ от метеорологических условий, времени суток и года, увеличивает привлекательность их дальнейшего использования.

Несмотря на многолетние исследования, ММВ и ДММВ используются пока еще недостаточно широко. Основной причиной отсутствия значительного прогресс в области их практического применения является сильная зависимость условий распространения ЭМВ указанных диапазонов от дождя, снега, тумана, облаков, пылевых образований и других природных явлений.

Следует подчеркнуть, что нарезание одинаковых по перекрытию участков (10:1) придаёт современной системе классификации несколько формальный, искусственный характер.

Резкие разграничения в свойствах волн различных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны плавно переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте, такое деление полностью оправдало себя.

Гораздо более сложным и строгим является деление радиоволн по механизмам и способам распространения. В принципе, в природе существует единый процесс возбуждения электромагнитного поля во всём окружающем пространстве. Однако в общем случае строгий метод расчета такого поля в настоящее время недоступен. В то же время, на реальных радиотрассах большая часть энергии поля сигнала переносится в пункт приёма за счет одного, преобладающего механизма распространения. Поэтому классификацию ЭМВ по способу их распространения целесообразно увязывать с такими присущими им явлениями как рефракция, дифракция, рассеяние, отражение и преломление показанными на рисунках (7¸10).

Радиоволны, излучаемые передающей антенной могут распространяться в атмосфере Земли, вдоль ее поверхности, в толще

Теория радиоволн: антенны

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны
Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Читайте также  Материаловедение металлы и сплавы

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал


Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.


Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Естествознание. 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 13. Радиоволны и особенности их распространения

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Как образуются и как регистрируются радиоволны.
  • Каковы особенности распространения радиоволн вблизи поверхности Земли.

Глоссарий по теме:

Антенна – устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Дифракция – это свойство радиоволны огибать препятствие, которое встречается на их пути, но здесь есть одно необходимое условие — величина препятствия должна быть соизмерима с длиной волны.

Интерференция волн – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких волн при их наложении друг на друга.

Рефракция – это явление преломления в тропосфере, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах, когда источник и приёмник волны находятся не на расстоянии прямой видимости.

Радиоволны – это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».

Ионосферная радиоволна – радиоволна, распространяющаяся в результате отражения от ионосферы или рассеяния на ней.

Радиопередатчик – это электронное устройство для формирования радиочастотного сигнала, подлежащего излучению.

Радиоприёмник – это устройство, соединенное с антенной и служащее для выделения сигналов из радиоизлучения.

Станция ретрансляции – станции, принимающие и передающие сигнал.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

  1. Естествознание. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд.,– М.: Просвещение, 2017. : с 72 -75.
  2. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика.–12-е изд. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 656 с.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

VIII Международная студенческая электронная научная конференция.URL: https://www.scienceforum.ru/2016/1382/19939

Теоретический материал для самостоятельного изучения:

Если мы захотим представить современный мир без радиосвязи, то не сможем это сделать. Радиоволны окутывают наши тела и пространство вокруг нас.

Радиосвязь ускорила нашу жизнь. Исполнилась мечта людей об оперативной и быстрой передаче информации.

Английский физик и химик, член Лондонского королевского общества Вильямс Крукс создал прибор для изучения «сил отталкивания, возникающих в нагретых телах» который получил название радиометра.

Генрих Герц (1857–1894), немецкий ученый физик, профессор физики университета в Бонне, доказал существование электромагнитных волн. В 1888 году им был открыт способ получения и регистрации радиоволн.

В 1894г. сэр Оливер Джозеф Лодж (один из изобретателей радио и электрической свечи зажигания) смог усовершенствовать радиокондуктор, добавив специальный прерыватель (trembler), который встряхивал опилки после прохождения искрового разряда. Датчик получил название когерер.

7 мая 1895 года А.С. Попов создал принципиально новое техническое устройство — радиоприёмник и продемонстрировал его на заседании физического отделения Русского физико-химического общества.

Гульельмо Маркони в 1894 году задумался об использовании электромагнитных волн для передачи сообщений.

Построив станции беспроводного телеграфа в противоположных точках земного шара – одну в Англии, на полуострове Корнуолл, а другую в Канаде, на острове Ньюфаундленд, он, находясь в Канаде, 16 декабря 1901 г. принял первый трансатлантический радиосигнал с расстояния почти в 2100 миль.

В настоящее время исследования радиоволн ведутся во многих ведущих институтах мира.

Радиоволны – это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».

При излучении электромагнитных волн при смене частоты колебаний зарядов меняется длина волны и приобретается различные свойства. При данном процессе происходит выделение энергии.

Электромагнитные волны обладают способностью распространения. Движению зарядов свойственно ускорение, скорость которых меняется с течением времени и является главным условием для излучения электромагнитных волн. Мощность волны напрямую связана с силой ускорения и прямо пропорциональна ей.

Показатели, отражающие особенности электромагнитного излучения:

  • частота колебания заряженных частиц;
  • длина волны излучаемого потока;
  • поляризация

Современный радиопередатчик содержит: генератор незатухающих электрических колебаний; незамкнутую проволочную цепь– антенну, (являющуюся излучателем волн). Антенны имеют различную форму, благодаря чему от них получают направленное излучение. По всем горизонтальным направлениям одинаково дает излучения простая вертикальная антенна.

Антенна, которая состоит из двух вертикальных проводов, совершающих колебания в одинаковой фазе и расстояние между которыми равно полуволне, в результате интерференции сильно излучает в направлениях, перпендикулярных к плоскости проводов и практически не излучает в их плоскости.

С новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн.

Длина волны λ – минимальное расстояние между двумя точками, находящимися в одинаковом волновом состоянии.

Частота f – число волновых движений (длин волн), образующихся в одну

Скорость распространения с – скорость распространения волнового

процесса от источника энергии.

Эти характеристики связаны между собой формулой:

где с = 3·10 8 м/с – постоянная величина.

Дифракция – это свойство радиоволны огибать препятствие, которое встречается на их пути.

Рефракция – это явление преломления в тропосфере, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества. Проходя над поверхностью земли, радиоволны ослабевают, энергия поглощается землей. Энергия волны ослабевает и излучение распространяется во все стороны пространства, поэтому можно предположить, что чем дальше от передатчика приёмник, тем меньше энергии попадает в антенну.

Читайте также  Договор купли-продажи предприятия

Классификация радиоволн

Введение в теорию ЭМП

Предмет и содержание курса. Краткая история развития учения об электромагнетизме. Роль русских учёных в развитии теории ЭМП.

ЭМП как одна из форм материи. Макроскопические и квантовые свойства ЭМП. Предмет классической электродинамики. Роль теории ЭМП в развитии науки, систем связи и вещания, телекоммуникации и др. Определение диапазонов, относящихся к области СВЧ.

Основные понятия теории ЭМП. Векторы ЭМП. Макроскопические параметры материальных сред. Материальные уравнения. Законы Ома и Джоуля в интегральной и дифференциальной формах.

Описание свойств векторных полей. Интегральные и дифференциальные характеристики физических полей. Основные теоремы векторного анализа. Операторы набла (Гамильтона) и Лапласа. Классификация векторных полей.

Указания к теме

Необходимо запомнить деление радиоволн и области СВЧ на диапазоны, выучить определения ЭМП, ЭМВ, электрического заряда, составляющих ЭМП. Необходимо вспомнить основы векторной алгебры и электромагнетизма.

Следует изучить основные этапы развития теории ЭМП, обратить внимание на принципиальные отличия диапазонов СВЧ от ВЧ и НЧ, на ограничения теории цепей и макроскопической электродинамики.

Основные сведения

В диапазонах УВЧ и СВЧ размеры устройств соизмеримы с длиной волны, поэтому приходится учитывать волновой характер ЭМП. Законы теории цепей, справедливые на более низких частотах, перестают действовать, поскольку в этом случае нельзя использовать понятие «электрическая цепь», которое позволяет существующее в системе ЭМП разделить на независимые электрические и магнитные составляющие, локализованные в соответствующих элементах электрической цепи. Поэтому при изучении быстропеременных электрических процессов необходим анализ именно ЭМП с учетом его волнового характера и конечной скорости распространения ЭМВ.

Краткая история развития теории ЭМП.Понятие поля (электрического и магнитного) впервые было введено М. Фарадеем в 30-х годах XIX века. Система уравнений Максвелла (1864) обобщила и дополнила известные в то время законы электромагнетизма. В 1888 г. радиоволны были экспериментально получены Г. Герцем.

Началом практического применения ЭМВ считаются опыты А.С. Попова, в которых в 1895 г. была продемонстрирована возможность беспроводной связи.

Теория относительности придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности, что позволило приравнять понятия «вещество» и «поле» как две формы существования материи. Один из важнейших выводов теории А. Эйнштейна – взаимосвязь массы и энергии (W = mc 2 ). Квантовый эффект аннигиляции электронно-позитронной пары с выделением фотона (и обратный переход) отражает существующую в микромире связь различных видов материи (вещества и поля). В масштабах микромира проявляется корпускулярно-волновой дуализм ЭМП. Протяженное ЭМП в этом случае следует рассматривать как систему независимых дискретных микрообъектов – фотонов. В этом случае действуют законы квантовой электродинамики.

В таблице приведена классификация радиоволн по диапазонам.

Классификация радиоволн

Границы диапазона по частотам и длинам волн Название диапазона по частотам и длинам волн Сокращенное обозначение
русское международное
3–30 кГц 100–10 км Очень низкие частоты Мириаметровые волны (сверхдлинные волны) ОНЧ (СДВ) VLF
30–300 кГц 10–1 км Низкие частоты Километровые волны (длинные волны) НЧ (ДВ) LF
300–3000 кГц 1000–100 м Средние частоты Гектометровые волны (средние волны) СЧ (СВ) MF
3–30 МГц 100–10 м Высокие частоты Декаметровые волны (короткие волны) ВЧ (КВ) HF
30–300 МГц 10–1 м Очень высокие частоты Метровые волны (ультракороткие волны) ОВЧ (УКВ) VHF
300–3000 МГц 100–10 см Ультравысокие частоты Дециметровые волны (ультракороткие волны) УВЧ (УКВ) UHF
3–30 ГГц 10–1 см Сверхвысокие частоты Сантиметровые волны (ультракороткие волны) СВЧ (УКВ) SHF
30–300 ГГц 10–1 мм Крайне высокие частоты Миллиметровые волны КВЧ EHF

Основные понятия теории ЭМП.Классическая (макроскопическая) электродинамика – теория поведения ЭМП, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами. В этом случае ЭМП приписывают только волновые свойства и считают его непрерывным, что очень удобно в макромире.

Например, в случае излучения одиночного радиоимпульса при значительном расстоянии между передающей и приемной антеннами в какой-то момент времени окажется, что сигнал уже излучен передающей антенной, но еще не принят приемной. Следовательно, в данный момент времени энергия сигнала будет локализована в пространстве. В этом случае очевидно, что носитель энергии не является привычной вещественной средой, а представляет собой иную физическую реальность, которая называется полем.

ЭМП – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами, отличающаяся непрерывным распределением в пространстве (ЭМВ, ЭМП заряженных частиц) и обнаруживающая дискретность структуры (фотоны), характеризующаяся способностью распространяться в вакууме со скоростью, близкой к с, оказывающая на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости [11, 12].

Электрический заряд – свойство частиц вещества или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным ЭМП и взаимодействие с внешним ЭМП; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона) и отрицательный заряд (заряд электрона); количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами [11, 12].

ЭМВ – ЭМ колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени с конечной скоростью [1].

При исследовании ЭМП обнаруживаются две формы его проявления – электрическое и магнитное поля, которым можно дать следующие определения.

Электрическое поле – одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающее силовое воздействие на заряженные частицы и тела, выявляемое по силовому воздействию как на неподвижные, так и на движущиеся заряженные тела и частицы.

Магнитное поле – одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядами движущихся заряженных частиц (и тел) и изменением электрического поля, оказывающее силовое воздействие только на движущиеся заряженные частицы, выявляемое по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости.

Разделение ЭМП на электрическое и магнитное поля имеет относительный характер, поскольку зависит от выбора инерциальной системы отсчета, в которой исследуется ЭМП. Например, если некоторая система состоит из покоящихся электрических зарядов, то при исследовании ЭМП в данной системе будет установлено наличие электрического поля и отсутствие магнитного. Однако если другая система координат будет двигаться относительно данной системы, то во второй системе будет обнаружено и магнитное поле [11].

Основными векторами ЭМП являются (напряженность электрической составляющей поля) и (магнитная индукция), которые описывают соответствующее проявление механических сил в ЭМП и могут быть непосредственно измерены. Напряженность электрического поля определяется как сила, действующая на точечный заряд известной величины (сила Ш. Кулона) .

Магнитная индукция определяется через силу, действующую на точечный заряд q известной величины, движущийся в магнитном поле со скоростью , (силу Г. Лоренца) : .

Вспомогательными векторами ЭМП являются (электрическая индукция или электрическое смещение) и (напряженность магнитной составляющей ЭМП). Названия характеристик ЭМП сложились исторически.

Единицы измерения основных характеристик ЭМП (в Международной системе единиц СИ) приведены на с. 3–4.

Связь между основными и вспомогательными векторами ЭМП осуществляется с помощью материальных уравнений

; . (1.1)

В большинстве сред векторы и , как и и , коллинеарны. Но в случае гироэлектрических (сегнетоэлектрики) и гиромагнитных (ферромагнетики) сред e и m становятся тензорными величинами, и указанные в парах векторы могут утратить коллинеарность.

Величина sудельная проводимость среды. С помощью этой величины можно связать плотность тока проводимостиjпр и напряженность поля следующей зависимостью:

. (1.2)

Уравнение (1.2) представляет собой дифференциальную форму закона Г. Ома для участка цепи.

Математический аппарат, применяемый для описания свойств векторных полей, называется векторным анализом. Важными характеристиками векторного поля являются циркуляция, поток (интегральные), градиент, дивергенция и ротор (дифференциальные) [3, гл. 2, с. 10–14]. Эти понятия пришли из физики как удобные и наглядные величины.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: