- Что такое радиоволны
- Содержание
- Диапазоны радиочастот и длин радиоволн [ править | править код ]
- Классификация по способу распространения [ править | править код ]
- Примеры [ править | править код ]
- Примеры выделенных радиодиапазонов [ править | править код ]
- Диапазоны радиочастот в гражданской радиосвязи [ править | править код ]
Что такое радиоволны
ЛикБез > О Радиосвязи
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны.
Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.
Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.
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:
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].
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.
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.
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ – частота электромагнитного излучения в МГц.
Самый простой случай — это распространение радиоволны в свободном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т. е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.
Как распространяются радиоволны
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.
С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн принято делить на ряд меньших диапазонов: сверхдлинные волны, длинные волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые волны, миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл. 1). Деление радиочастот на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи (табл. 2). Все это официальные, четко отграниченные участки спектра.
В то же время термин "диапазон" в зависимости от контекста может применяться для обозначения какого-то произвольного участка радиоволн/радиочастот (например — "любительский диапазон", "диапазон подвижной связи", "диапазон low band", "диапазон 2,4 ГГц" и т.п.)
Табл. 1. — Деление всего диапазона радиоволн на меньшие диапазоны.
| Название поддиапазона | Длина волны, м | Частота колебаний, гц |
| Сверхдлинные волны | более 10 4 м | менее 3×10 4 |
| Длинные волны | 10 4 —10 3 м | 3×10 4 —3×10 5 |
| Средние волны | 10 3 —10 2 м | 3×10 5 —3×10 6 |
| Короткие волны | 10 2 —10 м | 3×10 6 —3×10 7 |
| Метровые волны | 10—1 м | 3×10 7 —3×10 8 |
| Дециметровые волны | 1—0,1 м | 3×10 8 —3×10 10 |
| Сантиметровые волны | 0,1—0,01 м | 3×10 10 —3×10 11 |
| Миллиметровые волны | 0,01—0,001 | 3×10 11 —6×10 12 |
| Субмиллиметровые волны | 10 +3 —5×10 +5 | — — — — — — — — — — — — — — |
Табл. 2.1. — Диапазон радиочастот
| Наименование диапазона | Границы диапазонов | |
| основной термин | параллельный термин | |
| 1-й диапазон частот 2-й диапазон частот 3-й диапазон частот 4-й диапазон частот 5-й диапазон частот 6-й диапазон частот 7-й диапазон частот 8-й диапазон частот 9-й диапазон частот 10-й диапазон частот 11-й диапазон частот 12-й диапазон частот |
Крайне низкие КНЧ Сверхнизкие СНЧ Инфранизкие ИНЧ Очень низкие ОНЧ Низкие частоты НЧ Средние частоты СЧ Высокие частоты ВЧ Очень высокие ОВЧ Ультравысокие УВЧ Сверхвысокие СВЧ Крайне высокие КВЧ Гипервысокие ГВЧ |
3—30 гц 30—300 гц 0,3—3 кгц 3—30 кгц 30—300 кгц 0,3—3 Мгц 3—30 Мгц 30—300 Мгц 0,3—3 Ггц 3—30 Ггц 30—300 Ггц 0,3—3 Тгц |
Табл. 2.2 . — Диапазон радиоволн
| Наименование диапазона | Границы диапазонов | |
| основной термин | параллельный термин | |
| 1-й диапазон частот 2-й диапазон частот 3-й диапазон частот 4-й диапазон частот 5-й диапазон частот 6-й диапазон частот 7-й диапазон частот 8-й диапазон частот 9-й диапазон частот 10-й диапазон частот 11-й диапазон частот 12-й диапазон частот |
Декамегаметровые Мегаметровые Гектокилометровые Мириаметровые Километровые Гектометровые Декаметровые Метровые Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые |
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 |
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.
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:
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.
Радиово́лны — электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода [1] [2] . Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учётом классификации Международным союзом электросвязи [3] [4] радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 млн. километров до 0,1 миллиметра.
В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре (например, в волноводных устройствах, в интегральных схемах СВЧ и др.), в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приёмную антенны [5] .
Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и подвижной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в других бесчисленных приложениях.
В зависимости от значения частоты (длины волны) радиоволны относят к тому или иному диапазону радиочастот (диапазону длин волн). Можно также вести классификацию радиоволн по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара [6] .
Содержание
Диапазоны радиочастот и длин радиоволн [ править | править код ]
Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне от 3 Гц до 3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответствует частоте переменного тока электрических сигналов для вырабатывания и обнаружения радиоволн. Так как большая часть диапазона лежит за границами волн, которые могут быть получены при механическом колебании, радиочастоты обычно относятся к электромагнитным колебаниям.
Закон РФ «О связи» устанавливает следующие понятия, относящиеся к радиочастотам:
- радиочастотный спектр — совокупность радиочастот в установленных Международным союзом электросвязи пределах, которые могут быть использованы для функционирования радиоэлектронных средств или высокочастотных устройств;
- радиочастота — частота электромагнитных колебаний, устанавливаемая для обозначения единичной составляющей радиочастотного спектра;
- распределение полос радиочастот — определение предназначения полос радиочастот посредством записей в Таблице распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации, на основании которых выдаётся разрешение на использование конкретной полосы радиочастот, а также устанавливаются условия такого использования.
Использование диапазонов по радиослужбам регламентируется Регламентом радиосвязи Российской Федерации и международными соглашениями.
По регламенту международного союза электросвязи радиоволны разделены на диапазоны от 0.3*10 N Гц до 3*10 N Гц, где N — номер диапазона. Российский ГОСТ 24375—80 почти полностью повторяет эту классификацию.
| Обозн-е МСЭ | Длины волн | Название волн | Диапазон частот | Название частот | Энергия фотона, эВ, E = h ν <displaystyle E=h u >  |
Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ELF | 100 Мм — 10 Мм | Декамегаметровые | 3—30 Гц | Крайне низкие (КНЧ) | 12,4 фэВ — 124 фэВ | Связь с подводными лодками, геофизические исследования |
| SLF | 10 Мм — 1 Мм | Мегаметровые | 30—300 Гц | Сверхнизкие (СНЧ) | 124 фэВ — 1,24 пэВ | Связь с подводными лодками, геофизические исследования |
| ULF | 1000 км — 100 км | Гектокилометровые | 300—3000 Гц | Инфранизкие (ИНЧ) | 1,24 пэВ — 12,4 пэВ | Связь с подводными лодками |
| VLF | 100 км — 10 км | Мириаметровые | 3—30 кГц | Очень низкие (ОНЧ) | 12,4 пэВ — 124 пэВ | Служба точного времени, радиосвязь с подводными лодками |
| LF | 10 км — 1 км | Километровые | 30—300 кГц | Низкие (НЧ) | 124 пэВ — 1,24 нэВ | Радиовещание, радиосвязь земной волной, навигация |
| MF | 1000 м — 100 м | Гектометровые | 300—3000 кГц | Средние (СЧ) | 1,24 нэВ — 12,4 нэВ | Радиовещание и радиосвязь земной волной и ионосферная |
| HF | 100 м — 10 м | Декаметровые | 3—30 МГц | Высокие (ВЧ) | 12,4 нэВ — 124 нэВ | Радиовещание и радиосвязь ионосферная, загоризонтная радиолокация, рации |
| VHF | 10 м — 1 м | Метровые волны | 30—300 МГц | Очень высокие (ОВЧ) | 124 нэВ — 1,24 мкэВ | Телевидение, радиовещание, радиосвязь тропосферная и прямой волной, рации |
| UHF | 1000 мм — 100 мм | Дециметровые | 300—3000 МГц | Ультравысокие (УВЧ) | 1,24 мкэВ — 12,4 мкэВ | Телевидение, радиосвязь тропосферная и прямой волной, мобильные телефоны, рации, УВЧ-терапия, |
Классификация ГОСТ 24375—80 не получила широкого распространения и в ряде случаев вступает в противоречие с национальными стандартами (ГОСТ) в области радиоэлектроники. Традиционные обозначения радиочастотных диапазонов на Западе сложились в ходе Второй мировой войны. В настоящее время они закреплены в США стандартом IEEE, а также международным стандартом ITU.
На практике [7] под низкочастотным диапазоном часто подразумевают диапазон звуковых частот, под высокочастотным — весь радиодиапазон, от 30 кГц и выше, в том числе, диапазон ВЧ. В отечественной литературе диапазоном СВЧ в широком смысле иногда называют диапазоны УВЧ, СВЧ и КВЧ (от 0.3 до 300 ГГц), на Западе этому соответствует широко распространённый термин микроволны.
Также в отечественной учебной и научной литературе сложилась классификация диапазонов, согласно которой мириаметровые волны называют сверхдлинными волнами (СДВ), километровые — длинными волнами (ДВ), гектометровые — средними волнами (СВ), декаметровые — короткими волнами (КВ), а все остальные, с длинами волн короче 10 м, относят к ультракоротким волнам (УКВ) [8] .
Классификация по способу распространения [ править | править код ]
Прямые волны — радиоволны, распространяющиеся в свободном пространстве от одного предмета к другому, например от одного космического аппарата к другому, в некоторых случаях, от земной станции к космическому аппарату и между атмосферными аппаратами или станциями. Для этих волн влиянием атмосферы, посторонних предметов и Земли можно пренебречь.
Земные или поверхностные — радиоволны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности Земли и частично огибающие её вследствие явления дифракции. Способность волны огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, как известно, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем короче длина волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине волны диапазонов УВЧ и выше очень слабо дифрагируют вокруг поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости (прямые волны).
Тропосферные — радиоволны диапазонов ОВЧ и УВЧ, распространяющиеся за счёт рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км.
Ионосферные или пространственные — радиоволны длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счёт однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.
Направляемые — радиоволны, распространяющиеся в направляющих системах (радиоволноводах).
Примеры [ править | править код ]
Примеры выделенных радиодиапазонов [ править | править код ]
| Название | Полоса частот | Длины волн | Энергия фотона, эВ, E = h ν <displaystyle E=h u > |
|---|---|---|---|
| Диапазон средних волн (MW) | 530—1610 кГц | 565,65—186,21 м | 2,19—6,66 нэВ |
| Диапазон коротких волн | 5,9—26,1 МГц | 50,8—11,49 м | 24,4—107,9 нэВ |
| Гражданский диапазон | 26,965—27,405 МГц | 11,118—10,940 м | 111,5—113,3 нэВ |
| Телевизионные каналы: с 1 по 5 | 48—100 МГц | 6,25—3,00 м | 198,5—413,6 нэВ |
| Кабельное телевидение | 100—174 МГц | ||
| Телевизионные каналы: с 6 по 12 | 174—230 МГц | 1,72—1,30 м | 719,6—951,2 нэВ |
| Кабельное телевидение | 230—470 МГц | ||
| Телевизионные каналы: с 21 по 39 | 470—622 МГц | 6,38—4,82 дм | 1,94—2,57 мкэВ |
| Диапазон ультракоротких волн (UKW) | 62—108 МГц (кроме 76—90 МГц в Японии) | 1 м | 256,42—446,65 нэВ (кроме 314,31—372,21 нэВ) |
| ISM-диапазон | 2—4 ГГц | 15—7,5 см | |
| Диапазоны военных частот | 29.50—31.75 МГц | ||
| Диапазоны частот гражданской авиации | 108—136 МГц | ||
| Морские и речные диапазоны |
Диапазоны радиочастот в гражданской радиосвязи [ править | править код ]
В России для гражданской радиосвязи выделены три диапазона частот: