4. Основні фізичні властивості радіохвиль.

Электромагнитные волны имеют следующие основные характеристики:

1. Длина волны λв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°.

Рисунок 4.1 - Электромагнитная волна

где, - вектор электромагнитного поля, - вектор магнитного поля,

- направление распространения.

Длина волны - в общем случае - расстояние в метрах между двумя одинаковыми точками колебания двух соседних периодов. Если проще - расстояние между "гребешками" (максимумами) двух соседних волн (на воде). Это же касается и всех остальных типов волн, какие только есть на Земле и в её окрестностях.

Чем больше длина волны, тем легче она огибает препятствие, тем на большее расстояние распространяется земная волна.

В практике работы для удобства часто применяют другое определение, а именно длину радиоволн. Радиоволны измеряются в метрической системе мер в:

- метрах,

- дециметрах,

- сантиметрах,

- миллиметрах.

Длина волны зависит от частоты следования волн и от скорости распространения волн в данной среде. Чем выше частота и ниже скорость распространения, тем короче волна. Для радиоволн скорость распространения равна скорости света, С = 300 000 000 м/с. Зависимость между радиоволной и радиочастотой определяется по следующей формуле:

где λ - длина волны в м, С - скорость света в м/с, f - частота колебаний в Гц.

Для удобства, лучше пользоваться другой формулой:

Длина волны при этом получится, опять же, в метрах.

Длина радиоволны — это расстояние, на которое распространяется энергия электромагнитного поля за период колебания тока в антенне радиостанции. Понимать это надо так. За время одного периода тока в антенне передатчика в пространстве вокруг нее возникает одна радиоволна. Чем выше частота тока, тем больше следующих друг за другом радиоволн излучается антенной в течение каждой секунды.

Допустим, частота тока в антенне радиостанции составляет 1 МГц. Значит, период этого тока и возбужденного им электромагнитного поля равен одной миллионной доле секунды. За 1 с радиоволна проходит расстояние 300 000 км, или 300 000 000 м. За одну миллионную долю секунды она пройдет расстояние в миллион раз меньше, т.е. 300 000 000: 1 000 000. Следовательно, длина волны данной радиостанции равна 300 м.

Длина волны радиостанции зависит от частоты тока в ее антенне: чем больше частота тока, тем короче волна, и наоборот, чем меньше частота тока, тем длиннее волна. Чтобы узнать длину волны радиостанции, надо скорость распространения радиоволн, выраженную в метрах, разделить на частоту тока в ее антенне. И наоборот, чтобы узнать частоту тока в антенне радиостанции, надо скорость распространения радиоволн разделить на длину волны этой радиостанции.

Для перевода частоты тока передатчика в мегагерцах в длину волны в метрах и обратно удобно пользоваться такими формулами:

λ (м) = 300/f (МГц); f (МГц) = 300/λ (м),

где λ (греческая буква «лямбда») — длина волны (м);

f — частота колебаний (МГц);

300 — скорость распространения радиоволн,(км/с).

Когда радиовещательная станция начинает свои передачи, диктор иногда сообщает, что данная радиостанция работает на волне такой-то длины. Волну, бегущую по поверхности воды, мы видим и при известной ловкости можем измерить ее длину. Длину же радиоволн можно измерить только с помощью специальных приборов или рассчитать математическим путем, если, конечно, известна частота тока, возбуждающего эти волны.

2. Фаза φ — это состояние (стадия) периодического процесса (рис. 1.1).

В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

3. Период колебания волны Т — время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны λв (рис. 1.1).

Электромагнитные колебания (радиоволны) вырабатывает передатчик радиостанции. Скорость распространения этих колебаний такая же, как скорость света, и равна 300 000 км/сек. В зависимости от назначения передатчика количество электромагнитных импульсов (периодов) может быть различным.

4. Частота колебаний электромагнитного поля F - число периодов, излучаемых передатчиком в секунду.

Частота обозначается буквой F (f). Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунд. Измеряется частота в герцах (Гц), килогерцах (кГц), мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). В спутниковом вещании приходится иметь дело с очень высокими частотами электромагнитных колебаний измеряемых в гигагерцах. Если известно, что передатчик работает на частоте 14000 кГц (14 МГц), то это значит, что данный передатчик излучает 14 млн. электромагнитных колебаний в секунду.

Число колебаний поля в секунду определяется по формуле

F=1/T, a T=1/F

5. Скорость распространения волны С — скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С = 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля — Космос — Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.

Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны λв связаны соотношением

λв = C/F, а так как F=1/T , то λв = С х T.

Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем

λв (м)=3х10⁸/F(м/c х 1/Гц)

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле λв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/λв(м)

6. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление.

Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли (рис. 2.2).

Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V (рис. 2.3).

Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным — вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н (см. рис. 2.3) находится в горизонтальной плоскости.

Если передающая антенна установлена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в горизонтально расположенной приемной антенне.

Рисунок 4.2 - Линейная поляризация радиоволн:

H – горизонтальная, V – вертикальная.

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

- Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;

- Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции(конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний);

- Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

а) б) в)

Рисунок 4.3 - Линейная поляризация радиоволн

а) Линейная поляризация; б) Круговая поляризация в) Эллиптическая поляризация

Поляризация – это характеристика радиоволны. Она определяется положением в пространстве вектора напряженности электрического поля Е. Если Е лежит в плоскости перпендикулярной земной поверхности – волна имеет вертикальную поляризацию. Если Е параллельно земной поверхности – горизонтальная поляризация.

Рисунок 4.3 - Поляризация радиоволн

Волны, у которых направления электрического (E) и магнитного (H) полей сохраняются неизменными в пространстве или изменяются по определённому закону, называются поляризованными. За направление поляризации принято считать направление электрического поля E волны. Строго монохроматическое излучение всегда поляризовано. У излучения, состоящего из волн различной длины, направление колебаний вектора E результирующей волны может изменяться либо упорядоченно, либо хаотически. Излучение, у которого направление вектора E изменяется хаотически, называется неполяризованным (примером может служить естественный свет). Часто используют понятие плоскости поляризации, т. е. плоскости, перпендикулярной направлению колебаний вектора E.

Для поляризованного излучения различают: линейную поляризацию, при которой вектор электрического поля E сохраняет своё направление в пространстве; круговую поляризацию, когда вектор E вращается вокруг направления распространения волны с угловой скоростью, равной угловой частоте волны, и сохраняет при этом свою абсолютную величину; эллиптическую поляризацию, если вращение вектора электрического поля подобно вращению при круговой поляризации, но величина вектора меняется так, что его конец описывает эллипс. Эллиптическая и круговая поляризация может быть правой (вектор E вращается по часовой стрелке, если смотреть навстречу распространяющейся волне) и левой (при вращении в противоположную сторону).

Для определения поля вертикального электрического элементарного вибратора, расположенного у поверхности земли (идеально проводящей), воспользуемся методом зеркальных изображений

Вертикальный вибратор излучает вертикально поляризованную волну поэтому фаза тока в зеркальном источнике совпадает с фазой в вибраторе.

Рисунок 4.4 - Горизонтальный вибратор

Горизонтальный вибратор излучает горизонтально поляризованную волну (над идеально проводящей поверхности земли), ток зеркального источника находится в противофазе с током вибратора.

При вертикальной поляризации волна отражается от идеально проводящей поверхности без поворота фаз, а при горизонтальной с поворотом 180⁰.

Рисунок 4.5 - Вертикальный вибратор

Т.е. если вертикальный вибратор излучает волну с вертикальной поляризацией, то амплитуда напряженности удваивается, а в горизонтальном вибраторе с горизонтально поляризованными волнами в любой точке на поверхности Земли излучение отсутствует.