3 Вопрос. Основные физические свойства радиоволн 30 мин.

Радиоволны, как и другие виды электромагнитных волн, подчиняются некоторым общим для них законам.

Для радиосвязи имеют практическое значение следующие основные физические свойства радиоволн:

1. Радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно со скоростью, зависящей от параметров среды, и сопровождаются убыванием плотности потока энергии с увеличением расстояния.

2. Распространение радиоволн в среде, отличной от воздуха (например, в земле, воде, ионизированном газе), сопровождается поглощением энергии.

3. При переходе из одной среды в другую радиоволны испытывают отражение и преломление. При падении радиоволны на неровную поверхность происходит диффузное (рассеянное) от­ражение.

4. В неоднородной среде, когда показатель преломления изменяется плавно, траектория радиоволны искривляется. Это явление называется рефракцией радиоволны.

5. Свойства радиоволн огибать препятствия, встречающиеся на пути их распространения, на­зывается дифракцией. Непременное условие возникновения дифракции – соизмеримость величин препятствий с длиной волны. Дифракция приводит не только к отклонению пути распространения радиоволн от прямолинейного, но и к изменению амплитудных и фазовых соотношений, а иногда и к изменению поляризации волн.

6. Сложение радиоволн одной частоты созданных одним и тем же источником, пришедших в точку приема различными путями, называется интерференцией. В зависимости от фазовых соот­ношений различных лучей амплитуда результирующего поля будет изменяться, т.е. возникают за­мирания сигнала.

Характер распространения земных или поверхностных волн определяется рельефом местно­сти, электрическими свойствами земной поверхности и частотой излучаемых колебаний.

Чем меньше проводимость почвы и чем больше частота, тем больше ее поглощение в земле.

Характер распространения ионосферных или пространственных волн определяется электрическими свойствами атмосферы и длиной волны.

Напряженности электрического и магнитного полей связаны между собой через параметры среды, поэтому достаточно рассчитать или измерить одну из этих величин. Оказалось, что удобнее измерять напряженность электрического поля. Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м), милливольтах на метр (мВ/м) или микровольтах на метр (мкВ/м): 1 мкВ = 10^-3 мВ/м = 10^-6 В/м. Часто пользуются относительными логарифмическими единицами — децибелами (дБ) 1 дБ=20 lg E/E₁. Обычно принимают E₁ = 1 мкВ/м и 1 мВ/м. Поэтому напряженность поля, например 1000 мкВ/м, равна 60 дБ, отнесенным к 1 мкВ (в 1000 раз или на 60 дБ больше 1 мкВ).

Для характеристики поглощающих свойств среды пользуются понятием удельного коэффициента поглощения Г_уд (децибелы на километр), показываю­щего, во сколько раз уменьшилась напряженность поля при прохождении еди­ницы пути (1 м или 1 км), и коэффициентом поглощении на всем пути r (в километрах). Коэффициент поглощения удобно выражать в децибелах Г (дБ) = Г_уд r = 20 lg Е/Е₀, где Е - напряженность поля волны, прошедшей расстояние r (в километрах) в поглощающей среде; Е₀ — напряженность поля волны, про­шедшей то же расстояние в свободном пространстве.

В однородной среде, т. е. в среде, свойства которой не меняются по всему объему, волна движется прямолинейно с постоянной скоростью. При переходе волны из одной среды в другую на границе раздела двух сред происходит преломление и отражение волны. Волна частично проходит во вторую среду, причем направление ее движения меняется, и частично отражается от границы раздела сред (рис. 3). В этом случае угол падения волны равен углу отраже­ния, а угол падения φ и угол преломления ψ связаны соотношением

sin φ/sin ψ = п₂/п₁, (1)

где n₁ и п₂ — коэффициенты преломления первой и второй сред соответ­ственно.

Если поверхность, на которую падает волна, представляет собой идеаль­ный проводник, то волна полностью отражается от границы раздела и не про­ходит во вторую среду. Такое отражение называется зеркальным.

Рис. 3. Преломление радиоволн.

а – при переходе из менее плотной среды в более плотную; б – при переходе из более плотной среды в менее плотную.

В случае, когда свойства среды (коэффициент ее преломления) неодинако­вы в различных местах, т. е. когда среда неоднородна, волна преломляется и движется по криволинейной траектории. Чем более неоднородна среда, чем резче меняется коэффициент преломления, тем больше кривизна траектории (рис. 4).

Явление искривления траектории движения волны в неоднородной среде называется рефракцией. В том случае, когда волна переходит из среды с большим коэффициентом преломления в среду с меньшим коэффициентом пре­ломления (например, из воды в воздух), при достаточно большом угле паде­ния может наступить явление полного внутреннего отражения, т. е. вся энергия волны отразится от границы раздела и не проникает во вторую среду.

Рис. 4. Рефракция радиоволн.

Яв­ление полного внутреннего отражения может иметь место и в неоднородной среде, когда коэффициент преломления среды уменьшается в направлении дви­жения волны. При этом волна не проникает дальше некоторого определенного расстояния (расстояние h на рис. 4).

Нередко в место приема приходит не одна, а две или несколько волн од­ной и той же частоты. Например если передающая антенна расположена в точке А (pиc 5, а), а на некотором расстоянии от нее имеется отражающая поверхность В, то в точку Б волны могут прийти двумя путями: прямым пу­тем по линии АБ и по пути АВБ. В точке Б происходит сложение полей этих двух волн – интерференция, причем результирующее поле может оказаться ли­бо больше, либо меньше полей отдельных волн. Если разность длин путей АВБ и АБ составляет целое число длин волн, то поля складываются в фазе и результирующее поле оказывается больше полей отдельных волн (рис 5, б).

Если же разность длин волн составляет целое число полуволн, то поля вычи­таются (складываются в противофазе) и результирующая напряженность поля оказывается меньше складывающихся полей (рис. 5, в).

П редставим себе, что положение отражающей поверхности меняется таким образом, что разность длин путей АВБ и АБ составляет то целое число длин волн, то целое число полуволн. Тогда амплитуда результирующего поля будет меняться от максимального значения до минимального,

Рис. 5. Интерференция двух волн.

т. е. напряженность поля будет то увеличиваться, то уменьшаться. Такие колебания напряженно­сти поля называют замираниями.

Если на пути распространения волны встречается непрозрачное препятст­вие, то волна стремится его обогнуть (рис. 6).

Явление огибания волной встре­чающихся на ее пути препятствий называется дифракцией.

Дифракция наибо­лее сильно проявляется в том случае, когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны. Если препятствие очень мало по сравнению с длиной волны, то напряженность поля за препятствием меняется незначительно (рис. 6, а). При относительно больших размерах препятствия волна практически его не огиба­ет и за препятствием образуется область тени, где напряженность поля мала (рис. 6, б).

Рис. 6. Дифракция радиоволн.

а — препятствие мало по сравнению с длиной волны;

б — препятст­вие велико по сравнению с длиной волны.

Выводы по лекции:

1. Радиоволны – часть диапазона электромагнитных волн, создаваемых при прохождении по проводнику высокочастотного электрического тока.

2. Деление радиоволн на диапазоны производится для удобства рассмотрения различий в их свойствах и определения области их применения.

3. Основные свойства радиоволны: прямолинейность распространения, поглощение энергии, отражение и преломление, рефракция, дифракция и интерференция.

4,2