100—10 мм
10—1 мм
1000—100 км
100—10 км
10—1 км
1—0,1 км
100—10 м
10—1 м
1—0,1 м
10—1 см
10—1 мм
1—0,1 мм
2.1. Динамический
диапазон
Динамический диапазон радиоприемного устройства - это отношение максимально
допустимого уровня принимаемого сигнала (нормируется уровнем нелинейных
искажений) к минимально возможному уровню принимаемого сигнала (определяется
чувствительностью устройства) выраженное в децибелах. Другими словами - это
разность между максимальным и минимальным значениями уровней сигналов, при
которых еще не наблюдается искажений. Причиной этих искажений является
нелинейность усилительного тракта рассматриваемого устройства. Чем шире ДД, тем
более сильные сигналы способно принимать устройство без искажений. Динамический
диапазон шире у дорогих приемников, хотя сравнивать их по этому параметру
практически невозможно, т.к. он очень редко указывается в характеристиках.
2.2. Распределение спектра
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:
Диапазон частот
Наименование диапазона (сокращенное наименование)
Наименование диапазона волн
Длина волны
3–30 кГц
Очень низкие частоты (ОНЧ)
Мириаметровые
100–10 км
30–300 кГц
Низкие частоты (НЧ)
Километровые
10–1 км
300–3000 кГц
Средние частоты (СЧ)
Гектометровые
1–0.1 км
3–30 МГц
Высокие частоты (ВЧ)
Декаметровые
100–10 м
30–300 МГц
Очень высокие частоты (ОВЧ)
Метровые
10–1 м
300–3000 МГц
Ультра высокие частоты (УВЧ)
Дециметровые
1–0.1 м
3–30 ГГц
Сверхвысокие частоты (СВЧ)
Сантиметровые
10–1 см
30–300 ГГц
Крайне высокие частоты (КВЧ)
Миллиметровые
10–1 мм
300–3000 ГГц
Гипервысокие частоты (ГВЧ)
Децимиллиметровые
1–0.1 мм
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:
Термин
Диапазон частот
Пояснения
Коротковолновый
диапазон (КВ)
2–30 МГц
Из-за
особенностей распространения в
основном применяется для дальней связи.
«Си-Би»
25.6–30.1
МГц
Гражданский
диапазон, в котором могут
пользоваться связью частные лица. В
разных странах на этом участке выделено от
40 до 80 фиксированных частот (каналов).
«Low
Band»
33–50
МГц
Диапазон
подвижной наземной связи.
Непонятно почему, но в русском языке не
нашлось термина, определяющего данный
диапазон.
УКВ
136–174
МГц
Наиболее
распространенный диапазон
подвижной наземной связи.
ДЦВ
400–512
МГц
Диапазон
подвижной наземной связи.
Иногда не выделяют этот участок в
отдельный диапазон, а говорят УКВ,
подразумевая полосу частот от 136 до
512 МГц.
«800
МГц»
806–825
и
851–870 МГц
Традиционный
«американский» диапазон;
широко используется подвижной связью в
США. У нас не получил особого
распространения.
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.
3. Источники
3.1.Радиоизлучение Солнца. Зарегистрировано
радиоизлучение Солнца с длиной волны от нескольких миллиметров до 30 м. Особенно сильно излучение в метровом диапазоне; оно рождается в верхних слоях атмосферы Солнца,
в его короне, где температура порядка 1 млн. К. Коротковолновое излучение
Солнца относительно слабо; оно выходит из хромосферы, расположенной над видимой
поверхностью Солнца – фотосферой.
3.2.Галактические
радиоисточники. Уже первые наблюдения Г.Ребера показали, что радиоизлучение
Млечного Пути неоднородно – оно сильнее в направлении центра Галактики.
Дальнейшие исследования подтвердили, что основные источники радиоволн
относительно компактны; их называют точечными или дискретными. Зарегистрированы
уже десятки тысяч таких источников.
Излучение космических радиоисточников бывает двух типов: тепловое
и нетепловое (обычно синхротронное). Тепловое излучение рождается в горячем
газе от случайного (теплового) движения заряженных частиц – электронов и
протонов. Его интенсивность в широком диапазоне спектра почти постоянна, но на
длинных волнах она быстро уменьшается. Такое излучение характерно для
эмиссионных туманностей. Остальные источники имеют нетепловое излучение,
интенсивность которого растет с увеличением длины волны. В этих источниках
излучение возникает при движении очень быстрых электронов в магнитном поле.
Скорости электронов близки к скорости света, и это не может быть следствием
простого теплового движения. Для разгона электронов до таких скоростей в
лаборатории используют специальные ускорители – синхротроны. Как это происходит
в естественных условиях, не совсем ясно. Синхротронное излучение сильно
поляризовано. Это позволяет обнаруживать его в космических источниках и по
направлению поляризации определять ориентацию их магнитного поля. Таким методом
исследованы межзвездные магнитные поля в нашей и соседних галактиках.
Одним из важнейших достижений радиоастрономии стало открытие
активных процессов в ядрах галактик. Радионаблюдения указывали на это еще в
1950-е годы, но окончательное подтверждение появилось в 1962, когда с помощью
5-метрового оптического телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) были
независимо обнаружены бурные процессы в ядре галактики М 82.
Другим
важнейшим открытием радиоастрономии считаются квазары – очень далекие и
активные внегалактические объекты. Вначале они казались рядовыми точечными
источниками. Затем некоторые из них были отождествлены со слабыми звездами
(отсюда название «квазар» – квазизвездный радиоисточник). Доплеровское смещение
линий в их оптических спектрах указывает на то, что квазары удаляются от нас со
скоростью, близкой к скорости света и, в соответствии с законом Хаббла,
расстояния до них составляют миллиарды световых лет. Находясь на таких
гигантских расстояниях, они заметны лишь потому, что излучают с огромной
мощностью – порядка 1041 Вт. Это значительно больше мощности
излучения целой галактики, хотя размер области генерации энергии у квазаров
существенно меньше размера галактик и порой не превосходит размера Солнечной
системы. Загадка квазаров до сих пор не раскрыта.
3.3.Отождествление источников. Звезды – слабые
источники радиоволн. Долгое время единственной звездой на «радионебе» было
Солнце, и то лишь благодаря его близости. Но в 1970-х годах Р.Хелминг и К. Уэйд
из Национальной радиоастрономической обсерватории США открыли радиоизлучение от
газовых оболочек, сброшенных Новой Дельфина 1967 и Новой Змеи 1970. Затем они
обнаружили радиоизлучение красного сверхгиганта Антареса и рентгеновского
источника в Скорпионе.
В.Бааде и Р.Минковский из обсерваторий Маунт-Вилсон и
Маунт-Паломар (США) отождествили многие яркие радиоисточники с оптическими
объектами. Например, ярчайший источник в Лебеде оказался связан с очень далекой
и слабой галактикой необычной формы, ставшей прототипом радиогалактик. Мощный
радиоисточник в Тельце они отождествили с остатком взрыва сверхновой звезды,
отмеченной в китайской летописи 1054. Мощный источник в Кассиопее также
оказался остатком сверхновой, вспыхнувшей всего лет 300 назад, но не замеченной
никем.
В 1967 Э.Хьюиш, Дж.Белл и их коллеги из Кембриджа
(Англия) открыли необычные переменные радиоисточники – пульсары. Излучение
каждого пульсара представляет строго периодическую последовательность
импульсов; у открытых пульсаров периоды лежат в интервале от 0,0016 с до 5,1 с.
Через 2 года У.Кокки, М.Дисней и Д.Тейлор обнаружили, что радиопульсар в
Крабовидной туманности совпадает со слабой оптической звездой, которая, как и
пульсар, изменяет свою яркость с периодом 1/30 с. Среди более 700 известных
сейчас пульсаров еще только один – в созвездии Парусов (Vela) – демонстрирует
оптические вспышки. Выяснилось, что феномен пульсара связан c нейтронными
звездами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса ядер массивных
звезд. Имея диаметр около 15 км и массу как у Солнца, нейтронная звезда быстро
вращается и как маяк периодически «освещает» Землю. Постепенно скорость
вращения пульсара замедляется, период между импульсами возрастает, а их
мощность падает. Иногда наблюдаются резкие сбои периода, когда у нейтронной
звезды происходит перестройка структуры, называемая «звездотрясением».
Открытие радиоволн
дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары,
радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчало нам жизнь. С
помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и
самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.
Гипотезу о существовании радиоволн
выдвинул английский учёный Джеймс Максвелл на основании изучения работ Фарадея
по электричеству. Для выдвижения гипотезы о возможности возникновения
электромагнитных волн Максвелл имел следующие основания. Открытие индукционного
тока Фарадеем. Максвелл объяснил появление индукционного тока возникновением
вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Далее он предложил,
что электрическое поле обладает такими же свойствами: при любом изменении
электрического поля в окружающем пространстве возникает вихревое
электрическое поле.
Однажды начавшийся процесс
взаимного порождения магнитного и электрического поля должен непрерывно
продолжаться и захватывать Схема Радиоволны.
всё новые и новые области в окружающем
пространстве. Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей
происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электрические и магнитные
поля могут существовать в веществе и в вакууме, и могут распространяться в
вакууме. Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное
движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при
изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости
зарядов. Следовательно, электромагнитные волны должны возникать при ускоренном
движении электромагнитных зарядов.
Но вот создание электромагнитных волн
опытным путём принадлежит физику Герцу. Для этого Герц использовал
высокочастотный искровой разрядник (Вибратор). Произвёл этот опыт Герц в 1888 г. Состоял вибратор из двух стержней, разделённых искровым промежутком. Экспериментировал Герц с
волнами частотой 100000000 Гц. Вычислив собственную частоту электромагнитных
колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по
формуле υ=λν.Она
оказалась приближенно равна скорости света: с=300000 км/с. Опыт Герца блестяще
подтвердили предсказания Максвелла. Для возбуждения колебаний вибратор подключался к индуктору.
Когда напряжение на
искровом промежутке достигало пробивного значения, возникла искра, которая
закорачивала обе половинки вибратора. В результате возникали свободные
затухающие колебания, которые продолжались до тех пор, пока искра не гасла. А
для того чтобы возникающий при колебаниях высокочастотный ток не ответвлялся в
обмотку индуктора, между вибратором и индуктором включались дроссели (катушки с
большой индуктивностью). После погасания искры вибратор снова заряжался от
индуктора, и весь процесс повторялся вновь. Таким образом, вибратор Герца
возбуждал ряд цугов слабо затухающих волн.
И во время этих колебаний
устанавливалась стоячая волна тока и напряжения. Сила тока I была максимальной (пучность) в середине вибратора и
обращалась в ноль на его концах. Напряжение U в
середине вибратора имело узел, на концах – пучности. Опыты Герца были
продолжены П. Н. Лебедевым в 1894 г. П.Н. Лебедев открыл двойное преломление
волн в кристалле. Также радиоволны обладают всеми основными свойствами волн.
Электромагнитные волны в зависимости от
длины волны (или
частоты колебаний ) разделены условно на следующие основные
диапазоны: радиоволны, инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр,
ультрафиолетовые волны и гамма - лучи. Такое разделение электромагнитных волн
основано на различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии
с веществом.
Несмотря на то, что свойства
электромагнитных волн различных диапазонов могут резко отличаться друг от
друга, все они имеют единую волновую природу и описываются системой уравнений
Максвелла. Величины и в электромагнитной волне в простейшем случае
меняются по гармоническому закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны,
распространяющейся в направлении Z, являются:
(1)
где -циклическая частота, n-частота,
-волновое
число, -начальная
фаза колебаний.
Электромагнитные волны являются поперечными
волнами, т.е. колебания векторов напряженности переменного электрического и
индукции переменного
магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к
вектору скорости
распространения волны. Векторы , и образуют правовинтовую систему: из конца
вектора поворот
от к на наименьший
угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 1).
рис. 1
На рис. 2 показано распределение векторов и электромагнитной волны
вдоль оси OZ в данный момент времени t.
рис. 2
Из формулы (1) следует, что вектора и в
электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е. они
одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных значений.
Основываясь на том, что электромагнитная
волна является поперечной, возможно наблюдение явлений, связанных с
определенной ориентацией векторов и в пространстве. Благодаря этим свойствам возможно
использовать электромагнитные волны в радиосвязи.
Первым кто применил радиоволны для
беспроводной связи, был русский физик А. Попов. 7 мая 1895 г. Попов с помощью электромагнитных волн передал на расстояние 250 м сообщение (были переданы слова «Генрих Герц»). Для приёма сообщений Попов использовал
способность металлических порошков слипаться под влиянием высокочастотных
электрических колебаний и тем самым повышать свою электропроводность.
Передатчиком служила заземлённая антенна А. В схеме передатчика В – источник
высокого переменного напряжения, питаемый батареей Е. При замыкании ключа К в
искровом промежутке образуется искра, представляющая собой колебательный
процесс, вследствие чего антенна Передатчик и
приёмник..
А начинает излучать радиоволны. Эти волны,
достигая антенны А’ приёмной станции, возбуждают электромагнитные колебания
цепи, содержащей заземлённую антенну и когерер Т. Сопротивление когерера резко
уменьшается, вследствие чего замыкается цепь батареи Е’, в которой находится
электромагнитное реле, притягивающее молоточек F.
При этом в точке О замыкается цепь более мощной батареи Е”, действующей на
пишущий аппарат LM. В тоже время молоточек D ударяет по когереру Т и размыкает цепь батареи Е’ (для приёма
следующего сигнала).
Это
радио стало прародителем не только для современного радио, но и для
телевизоров, радиотелескопов, мобильных телефонов и для многих других вещей без
которых люди не могут представить сегодняшнюю свою жизнь.
Современные радиоприёмники совсем непохожи на своего
прародителя, но принцип действия остался тот же, что и в приёмники Попова.
Современный приёмник так - же имеет антенну, в которой приходящая волна
вызывает очень слабые магнитные колебания. Как и в приёмнике Попова, энергия
этих колебаний не используется непосредственно для приёма. Слабые сигналы лишь
управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое
управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.
В1899 году была обнаружена возможность приёма сигналов с
помощью телефона. В начале 1900 года радиосвязь была успешно использована во
время спасательных работ в Финском заливе. При участии Попова началось
внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
За границей усовершенствованием подобных приборов
занималась фирма, организованная итальянским учёным Маркони. Опыты,
поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную
передачу через атлантический океан.
Важнейшим этапом развития радиосвязи было создание в 1913
году генератора незатухающих электромагнитных колебаний.
Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких
и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможной
надёжная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи и музыки с
помощью электромагнитных волн.
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в
звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той
же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно
будет передавать на расстояния речь и музыку с помощью электромагнитных волн.
Однако в действительности такой способ передачи неосуществим.
Дело в
том что, колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные
колебания, а электромагнитные волны низкой
(
звуковой) частоты почти совсем не излучаются.
Для передачи этих волн на большие расстояния их необходимо
преобразовать в колебания высокой частоты, но так чтобы не испортить информацию
которую они несут. Процесс преобразования электромагнитных колебаний низкой
частоты в колебания высокой частоты называется модуляцией. Для преобразования
звуковых волн используется амплитудная модуляция.
В процессе модуляции происходит наложение амплитуды
низкочастотных сигналов на высокочастотный сигнал.
Модуляция – медленный процесс. Это такие изменения в
высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень
много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда измениться заметным
образом.
Без
модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.
Для осуществления амплитудной модуляции электромагнитных
колебаний высокой частоты в электрическую цепь транзисторного генератора
последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На
вторую катушку трансформатора подаётся переменное напряжение звуковой частоты,
например, с выхода микрофона после необходимого усиления. Переменный ток во
второй катушке трансформатора вызывает появление напряжения на концах первой
катушке трансформатора.
Переменное
напряжение звуковой частоты складывается с постоянным напряжением источника
тока; изменения напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводят к
изменениям со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в
контуре генератора. Такие колебания высокой частоты называются
амплитудно-модулированными.
С колебательным контуром генератора индуктивно связана
антенна радиопередатчика. Вынужденные колебания тока высокой частоты,
происходящие в антенне, создают электромагнитные волны.
Электромагнитные волны, излучённые антенной радиопередатчика, вызывают
вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике. Напряжение между
концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные
колебания электрического тока, пропорционально длине проводника. Поэтому для
приёма электромагнитных волн в простейшем детекторном радиоприёмнике
применяется длинный провод – приёмная антенна (1). Для того чтобы слушать
только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно
на вход усилителя, а сначала подают на колебательный контур (2) с изменяющейся
собственной частотой колебаний. Изменение собственной частоты колебаний в
контуре приёмника производится обычно изменением электроёмкости переменного
конденсатора. При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с
собственной частотой контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных
колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального
значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний,
возбуждаемых в антенне, выделяются колебания нужной частоты.
С колебательного контура приёмника модулированные
колебания высокой частоты поступают на детектор (3). В качестве детектора можно
использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой
частоты только в одном направлении. В течении каждого полупериода высокой
частоты импульсы тока заряжают конденсатор (4), вместе с тем конденсатор
медленно разряжается через резистор (5). Если значения электроёмкости
конденсатора и электрического сопротивления резистора выбраны правильно, то
через резистор будет протекать ток, изменяющийся во времени со звуковой
частотой, использованной при модуляции колебаний в радиопередатчике. Для
преобразования электрических колебаний в звуковые переменное напряжение
звуковой частоты подаётся на телефон (6).
Детекторный радиоприёмник весьма несовершенен. Он обладает
очень низкой чувствительностью и поэтому может успешно принимать радиопередачи
только от мощных радиостанций или от близкорасположенных радиопередатчиков.
Для повышения чувствительности в современных радиоприёмниках
сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты
(УВЧ), а с выхода усилителя высокочастотные электрические колебания поступают
на детектор. Для увеличения мощности звукового сигнала на выходе радиоприёмника
электрические колебания звуковой частоты с выхода детектор поступают на вход
усилителя низкой частоты.
Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подаётся
на динамик.
Для усиления электрических колебаний высокой и низкой частот
могут быть использованы схемы с электронными лампами или транзисторами.
Благодаря радиоволнам познается, и
наша вселенная, и открываются элементарные частицы материи. Даже живые существа
испускают радиоволны, а животные такие животные, как рыба молот используют их
для охоты.
Библиография
1.
Гаевой А. И.,
Калабухов Н. П., Левашова Л. Е., Чепуренко В. Г. «Справочник по физике для
поступающих в вузы». Киев, «Наукова Думка», 1986.
2.
И. В. Савельев
«Курс общей физики» том 2. Москва, «Наука», 1973.
