Основные физические свойства радиоволн

ПЛАН РАЗРАБОТКИ

ТЕМА №4 «Антенны и распространение радиоволн».

РАСЧЕТ ТЕМЫ ПО ЗАНЯТИЯМ

ЗАНЯТИЕ №1. «Физические свойства и распространение радиоволн»

ВРЕМЯ: 2 часа.

ВИД ЗАНЯТИЯ: лекция.

ЗАНЯТИЕ №2. «Особенности распространения радиоволн»

ВРЕМЯ: 2 часа

ВИД ЗАНЯТИЯ: Лекция.

ЗАНЯТИЕ №3. «Электрические характеристики антенн»

ВРЕМЯ: 2 часа

ВИД ЗАНЯТИЯ: Лекция.

ЗАНЯТИЕ №4. «Практическое применение антенн»

ВРЕМЯ: 2 часа.

ВИД ЗАНЯТИЯ: Практическое с полувзводом.

ЛЕКЦИЯ № 1

ЗАНЯТИЕ №1. Физические свойства радиоволн

План занятия:

Понятие о радиоволнах, основные законы характеристики радиоволн.

Деление радиоволн на диапазоны.

Основные физические свойства радиоволн.

Понятие о радиоволнах, основные характеристики радиоволн

Из физики известно, что если по проводнику протекает переменный ток, то вокруг него возникает переменное магнитное поле, силовые линии которого охватывают проводник с током.

Вблизи проводника появляется переменное поле с замкнутыми линиями магнитной индукции. Изменение магнитного поля приводит к появлению переменного электрического поля с замкнутыми линиями напряженности.

Электрическое поле всегда направлено вдоль проводника, и векторы напряженности электрического и магнитного полей всегда перпендикулярны в пространстве.

Поскольку ток в проводнике переменный, электромагнитное поле также изменяется во времени. Его магнитная составляющая вызывает переменное электрическое поле не только

вблизи проводника, но и в соседних областях пространства. Электрическое поле, в свою очередь новые вихри магнитного поля.

Образованные поля уже не связаны с проводником, а являются свободными. Они непрерывно изменяются во времени и, благодаря этому, распростра­няются в пространстве со скоростью 300 000 км/с, образуя электромагнитные ­волны.

Радиоволнами называются электромагнитные колебания, применяемые для передачи сигналов на расстояние.

Радиоволны создаются в результате излучения антенной б прос­транство высокочастотных колебаний, возбуждаемых генератором высо­кой частоты, и представляют собой периодически меняющиеся взаимосвязанные ­электрические и магнитные поля.

Каждую радиоволну можно охарактеризовать частотой и длиной волны.

             f = I/2П LC

где L и С - параметры колебательной системы. Данной частоте колебаний в контуре соответствует определенная

длина волны в пространстве.

Длиной волны называется расстояние, проходимое электромагнитной энергией за время одного периода колебаний. Длина волны Л связана с частотой электромагнитных колебаний соотношением:

Л = C/f = 3*108/f ; f = C/л = 3*108/л

где f - частота тока, вызывающего электромагнитную волну, Гц; С - скорость распространения электромагнитной энергии, м/с.

Таким образом, зная длину радиоволны л можно определить её частоту f и, зная частоту, можно определить длину волны.

Важной характеристикой электромагнитных волн является их поляризация. Поляризация волны определяется законом изменения направления и величины вектора Е в данной точке пространства за период колебания. Поляризацию определяют раздельно по двум признакам: по изменению положения конца вектора Е в течение периода колебаний и положению вектора Е относительно выбранной системы

пространственных координат (часто эту систему связывают с Землей).

По положению вектора Е относительно земной поверхности

Различают вертикально поляризованную волну, если этот вектор лежит в плоскости, перпендикулярной поверхности Земли, и горизонтально поляризованную, если вектор Е расположен в плоскости, параллельной Земле.

Если конец вектора Е в течение периода колебаний в данной точке пространства остается на одной прямой, поляризацию называют линейной. Если конец вектора Е описывает в пространстве эллипс или окружность, поляризация называется соответственно эллиптической или круговой. Используемые в радиотехнике электромагнитные волны (радиоволны) распространяются не в свободном пространстве, а в реальных средах. В таких средах из-за их конечной проводимости часть энер­гии радиоволн необратимо преобразуются в тепло, поэтому амплиту­ды напряженности электрического и полей по мере распространения волны постепенно уменьшаются(затухают).

Деление волн на диапазоны

Вся совокупность частот электромагнитных колебаний в диапазоне радиоволн носит название радиочастотного спектра. Границы спектра являются условными и соответствуют современному уровню науки и техники. Основные свойства радиочастотного спектра и вытекающие из них принципы использования определяются свойствами радиоволн, особенностями возбуждения, распространения и приёма. Для удобства изучения свойств и принципов использования радиочастотного спектра целесообразно классифицировать радиоволны по диапазонам в связи с отличительными особенностями их распространения.

    В основу деления радиочастотного спектра положен десятичный принцип. Это придает системе классификации несколько искусственный характер. Резкие разграничения в свойствах волн различных частотных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте такое деление полностью себя оправдало.

Часто в технической литературе 8,9 и 10-й диапазоны объединяют термином ультракороткие волны (УКВ).

Радиочастотный спектр как природный ресурс обладает, по крайней мере, семью особыми свойствами:

1. Радиочастотный спектр используется, но не расходуется. По­тенциальные возможности его как ресурса определяются частотной ёмкостью диапазона Qи. При однократном использовании она определяется максимальными количествами вмещаемых полос спектра сигнала Вп:

  Qи = fmaxn-fminn/B = 2,7*10и/B

n-номер диапазона частот; fmaxn;fminn - максимальная и минимальная частоты n-го диапазона частот;

В-ширина спектра сигнала, поэтому количество и технические параметры радиоэлектронных средств (РЭС), работающих в заданном диапазоне, должны определяться с учетом его частотной ёмкости.

1. Радиочастотный спектр подвержен действию помех, ограничивающих возможности его использования и уменьшающих эффективную частотную ёмкость.
2. Радиоволны не имеют жестких государственных границ. Поскольку их спектр общедоступен, необходимо жесткое регламентирование его использования на всех уровнях, применения системы приоритетов с учетом национальных интересов государств, иерархии потребителей.
3. Возбуждаемое на данном участке спектра поле все окружающее пространство с различной интенсивностью, а при выключении станции спектр немедленно очищается, восстанавливается на данной частоте.

Кроме того, антенны обладают селективностью по отношению: к направлению прихода, фазовому фронту и поляризации волны. В результате возникает возможность многократного использования спектра, т.е. назначения одних и тех его участков различным радиосредствам с учетом свойств трасс, сдвигов во времени и пространстве, различия радиоволн по направлению прихода и поляризации. Требуется разработка технически обоснованных норм частотно-территориального разнесения.

1. При изменении условий распространения радиоволн на трас­се и уровня помех в пункте приема данная частота может оказаться непригодной, сохранив свою пригодность для другой трассы. Следует также учесть, что потребитель обычно не использует назначенную частоту, даже пригодную, непрерывно. Для наиболее интенсивного использования спектра необходимо динамическое перераспределение частот между потребителями в соответствии с изменяю­щимися условиями распространения, помеховой обстановкой и текущими потоками информации.
2. Принципиально высокоэффективное использование спектра может быть реализовано лишь при высокой степени централизации, чему, однако, препятствует недостаточно оперативное поступление необходимой информации снизу. Поэтому все реальные системы управления с использования спектра имеют компромиссный многоуровневый характер.
3. Возможности использования спектра зависят от большого количества факторов, связанных сложным образом, что требует комплексного подхода к управлению его использованием.

Основные физические свойства радиоволн

Качество и дальность радиосвязи в значительной мере определяется условиями распространения радиоволн, эффективностью передающих и приёмных антенн. В процессе распространения радиоволны искажаются и ослабляются. На приёмную антенну, помимо принимаемого сигнала, действуют различные помехи естественного и искусственного происхождения. Радиосвязь возможна лишь в случаях, когда поле принимаемого сигнала не ниже некоторого уровня, зависящего от уровня помех в месте приёма и вида модуляции.

Особенности физических свойств радиоволн обусловлены их природой. Помимо того, что напряжённость электрического поля убывает по мере увеличения расстояния от источника (передатчика) и волна имеет

определённую поляризацию, существует ещё ряд физических свойств, определяющих характер распространения радиоволн и эффективность радиосвязи в целом.

Свойства радиоволн.

А) Дифракция – это способность радиоволн огибать различные радио непрозрачные препятствия, находящиеся на пути их прямолинейного распространения, создавая конечную напряжённость поля в области геометрической тени. Дифракция выражена тем сильнее, чем больше отношение длины волны к радиусу кривизны препятствия. Так, например, в дека метровом и метровом диапазонах (KB и УКВ) дифракции практически не существуют.

            Дифракция радиоволн

РИС: Распространение радиоволн

как результат многократного

отражения от ионосферы и Земли.

Б) Отражение радиоволн - свойство радиоволн изменять направление распространения при встрече с препятствием или со средой, имеющей резко отличные от первоначальной среды электрические параметры.

Так как радиоволны подобно свету являются электромагнитными колебаниями, для них справедливы общие законы оптики, в соответствии с которыми в однородной среде волны распространяются прямолинейно. На границе раздела двух сред происходит отражение или преломление радиоволн. При отражении от идеально гладкой поверхности волна возвращается в ту среду, из которой приходит, а при преломлении - переходит в другую среду, причем направление её распространения изменяется.

Траектории метровых радиоволн при различных видах атмосферной рефракции: