Свойства радиоволн, основные термины и диапазоны частот

Волны - это распространение колебаний в пространстве. Они бывают механическими и электромагнитными. Нас интересуют вторые, так как радиоволны имеют электромагнитную природу и являются частью электромагнитного спектра.

Спектр - совокупность значений какой либо величины, например совокупность всех значений интенсивностей для любых длин волн и частот электромагнитного излучения.

Существование электромагнитных волн в целом доказал в 1888 году немецкий физик Генрих Герц, подтверждая электромагнитную теорию света Максвелла. Он подробно исследовал и описал как на электромагнитные волны воздействует отражение, интерференция, дифракция и поляризация, доказал что скорость их распространения равняется скорости распространения света, а также что энергию электромагнитного поля можно передавать без проводов. Не придавая большого значения своему открытию он считал, что данное открытие не более чем подтверждением теории Максвелла. 

Генрих Рудольф Герц (1857 г. - 1894 г.)

Для нас это значит, что термины применяемые к свету применяются также и к радио волнам:

Поглощение - способность волны проходить сквозь материю с последующим уменьшением мощности.

В обычных условиях фонарик хорошо светит, если его прикрыть какой-нибудь тряпкой, то яркость свечения значительно снизится. Причем чем плотнее и толще материал, тем сильнее гасится свет.

Чем короче волна(выше частота), тем сильнее гашение, а соответственно чем длиннее волна(ниже частота), тем меньше гашение. Грубо говоря, если волна 14 см, то она не пробьет холм толщиной в метр, если волна 10 метров, то на этот холмик она плевать хотела, пробьет и пойдет дальше, как будто ничего не было. Почему так происходит и как это объяснить? Ну, можно представить сколько сил затратит 14-сантиметровая волна, делая зигзаги в толще грунта: очень скоро резвая волна потеряет весь драйв и угаснет, в то время как 10-метровая волна-каракатица еле-еле сделает четверть колебания внутри холма; то есть там путь будет меньше, соответственно и сопротивления на пути будет меньше. То же можно представить с путешествием волн в газообразной среде: если делать зигзаги туда-сюда, то велик шанс нарваться на кучу молекул газа, что впоследствии навредит распространению. 

Чем плотнее материал, тем в нем больше частиц на единицу пространства, тем сложнее его “пройти”.

Рассеяние - распространение в среде.

Если нет преград, препятствующих распространению, то лучи от светящейся лампочки распределяются по всей комнате, они не образуют одинокую точку напротив себя. Получить сфокусированный пучок света можно, но в плане освещения это бесполезно; плюсом ко всему, если мощность светового потока достаточна и она сфокусирована, то есть вероятность прожечь любимое напольное покрытие.

Если у вас антенна в форме торчащей в небо палки, то вы будете покрывать приличную область вокруг себя. Да, вы сможете слышать множество радиопередач, но их качество будет варьироваться в зависимости от внешних факторов. Если у вас антенна в виде пушки или тарелки, то вся мощь будет сфокусирована в конкретном направлении. Да, четкость передачи и приема будет отменной, однако таким образом вы изолируете себя от остальных источников информации. 

Отражение - изменение траектории распространения волны при контакте с поверхностью материала.

Посветите фонариком на зеркало или хорошо отполированный кусок металла: если посветите под прямым углом(то есть перпендикулярно отражающей поверхности) то свет отразится обратно в фонарик; если светить под углом ≠90°, то свет отразится и полетит дальше.

С ЭМВ все остается также, для радиоволн основными отражателями является ионосфера. Но хотелось бы дополнить, что они отражаются от металлов, потому и существуют специальные волноводы. А также именно поэтому перед различными диагностиками людей просят снять с себя всю металлическую бижутерию. 

Интерференция - наложение двух и более волн друг на друга, изменение (уменьшение или увеличение) амплитуды итоговой волны в зависимости от амплитуды формирующих волн.

Тут хорошим примером будет накладывание звуковых волн. Если у волн одинаковая полярность, то их потенциалы складываются; если полярность разная, то волны находятся в противофазе и они вычитаются до полного погашения.

Электромагнитные волны (ЭМВ) точно также в фазе будут складываться, в противофазе - вычитаться.

Поляризация - явление фильтрации. Что-то проходит, что-то отражается.

Примером поляризации являются… Очки с цветными линзами! Когда вы носите розовые очки(простите за каламбур) мир для вас теряет синий, зеленый и желтый цвета: есть розовый и разные его оттенки. Также примером фильтрации являются маска-хамелеон и поляризационные очки для рыбаков и спортсменов. У обоих устройств есть одно предназначение - защита глаз пользователя от вредного УФ-излучения, исходящего при сварке металлов и при свечении Солнца посредством заглушения волн с определенными характеристиками. 

В радио, когда говорят про поляризацию, имеется ввиду положение антенны, ведь от этого зависит паттерн распространения радиоволн в пространстве. Кто теребил антенну, мог заметить, что при одном положении прием добротный, а при другом - каша. Так вот: когда антенна “смотрит” в нужном направлении, она улавливает больше колебаний от передающей станции: чем больше, тем лучше разборчивость информации. Если антенна у передатчика стоит горизонтально, а у приемника вертикально, то площадь соприкосновения с волной нужной полярности будет такой ничтожной, что вы будете слышать шум, а не музыку или новости.*

*Не относится к антеннам - пушкам

Дифракция - возможность преодоления волной препятствия без смены среды распространения.

Один из примеров театр теней: перед источником света рука. Свет огибает руку и на выходе получается пятно света с тенью от руки. Также в зависимости от того насколько рука далеко от источника света затемнённая зона изменяется - чем ближе тень к объекту, тем меньше свет огибает руку и в итоге у тени более выраженные края. Другой пример тёмная комната с маленькой дырочкой в стене, с другой стороны которой находится источник света, чем больше расстояние между стенами комнаты, тем более освещенной будет противоположная стена.

Пример из УКВ: передача возможна в поле зрения; два радиолюбителя переговариваются, один из них начинает заходить за условное препятствие (дерево, железобетонную конструкцию, холм) и в один прекрасный момент связь прерывается. Причина? Один из операторов скрылся с поля зрения: волны перекрыты препятствием и не могут достичь принимающую сторону.

Преломление - изменение траектории волны во время смены среды.

Если посветить на линзу под разными углами свет будет изменять свое направление. Нет линзы? Пакет или стакан с водой являются сносными аналогами лабораторного собрата.

Радио волны которые ионосферой не отражаются в ней преломляются и поглощаются. Тут преломление происходит из за того, что волна переходит из нейтральной среды в ионизированную.

Помните, что в природе все зависит от всего и одного не может быть без другого. Даже если в приведенных примерах называется только одно явление, это не значит, что этим все ограничивается - наяву происходит все и сразу, просто в разных пропорциях.

Также можно представить реку и бревно: бревно будет идти по течению реки; если оно идет вверх по течению или перпендикулярно ему, то у вас какое-то неправильное бревно или странная речка. 

Стоит разобрать то, что радиоволны (как и любые другие электромагнитные волны) имеют свою длину, частоту и амплитуду, которые напрямую влияет на распространение. 

Длина волны - пространственный период волнового процесса, т.е. расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.

Частота волны - количество колебаний которое совершает волна за единицу времени. Ей обратно пропорционален период - время за которое происходит одно колебание.

Амплитуда - максимальное значение смещения или изменения переменной величины относительно среднего значения.

Длинна и частота взаимосвязаны друг с другом. Увеличивая длину волны мы уменьшаем частоту и наоборот, при увеличении частоты уменьшается длина.

Говоря о терминах также стоит отметить английский учёного Уильям Крукса и связанный с ним случай.

Так вышло, что некоторые термины в области передачи электромагнитных волн были придуманы до изобретения способных на полноценную передачу и приём аппаратов. Он не проводил экспериментов в этой области, но как писатель фантаст (а также, к слову, как он сам утверждал, спиритуалист) допускал "бесконтактную биологическую связь между головами людей" (к слову это химик и физик что открыл элемент таллий, явление сцинтилляции, а также впервые выявил гелий).

Уже после заявлений Малона Лумиса, Томаса Эдисона и Николы Тесла, некоторых их открытий и общего прогресса в данной области Крукс в своей статье 1892 года "некоторые возможности применения электричества" применял в широком смысле термин "радио", а также впервые использовал термины, ставшие в последствии общеупотребляемыми, например: "диапазон", "чувствительность", "избирательность".

Уильям Крукс (1832 г. - 1919 г.)

Диапазоны радиоволн

Диапазон - интервал значений какой либо величины.

Именно радиоволнами принято называть диапазон ЭМВ от 30 кГц до 3 ТГц, а его в свою очередь принято делить на следующие диапазоны:

На самом деле они несколько отличаются от страны к стране. Так, согласно утверждённому в 2011 г. «Регламенту любительской радиосвязи Украины», в отличие от России, не предусмотрен диапазон 136 кГц, 30-метровый диапазон установлен в пределах 10,1—10,140 МГц, а 20-метровый — 14,0—14,250 МГц и т. п. 

Сверхдлинные волны (СДВ):

Экстримально длинные радиоволны с длиной свыше 10 км. с крайне малой частотой.  Слабо поглощаются земной поверхностью и при этом очень хорошо отражаются от ионосферы, а потому легко огибают всю Землю распространяясь вдоль земной поверхности как по волноводу, не испытывая при этом практически никаких искажений от ионосферных возмущений. Также проникают вглубь толщи морской воды и в некоторой степени под земную поверхность. В силу данных факторов применяются для связи с подводными лодками (когда любые другие диапазоны вода полностью блокирует), для радиозондирования и изучения слоёв атмосферы.

В целом имеют очень ограниченное применение. Причиной этого являются во первых сложности с созданием антенн способных их принимать, а во вторых крайне низкая скорость передачи информации. По понятным причинам в радиолюбительстве никак не используются.

Среди них выделяют диапазоны:

Декамегаметровые (100—10 Мм, 3—30 Гц)

Мегаметровые (10—1 Мм, 30—300 Гц)

Гектокилометровые (1—0,1 Мм, 0,3—3 кГц)

Мириаметровые (100—10 км, 3—30 кГц)

Длинные волны (ДВ) — километровые волны, волны низкой частоты (для любительской радиосвязи используется участок 135,7—137,8 кГц):

Волны от 1 и до 10 километров. Длинные волны малой частоты зачастую применяются также как СДВ, из-за схожих свойств, но из-за большей частоты в целом, они более универсальны, потому помимо этого также используются для: радионавигации, ну и конечно для связи и радиоуправления объектами на большом расстоянии. 

За счёт дифракции поверхностные волны распространяются вдоль земли на расстояния вплоть до примерно двух тысяч километров, но за счёт того, что расстояние между ионосферой и землёй для них как волновод могут обогнуть всю землю. 

Средние волны (СВ) — гектометровые волны (для любительской радиосвязи выделен диапазон 160 м (1,8 - 2,0 МГц):

Наряду с короткими наиболее распространённый диапазон для вещания. Это волны от 100 м до 1 км, однако есть диапазоны выделенные для радиолюбительской связи условно считающиеся коротковолновыми.

Диапазон 472—479 кГц (630 м)[7]. В России не разрешён. 1,8 МГц (160 м): 1810—2000 кГц (вторичная основа; ниже 1838 кГц — только телеграф; телефон — выше 1840 кГц);

Находясь посередине между длинными и короткими волнами и являются промежутком сочетающим их свойства. Поверхностная волна значительно значительно слабее, но всё равно может распространяться на многие сотни километров, а также начиная отсюда появляется возможность отражения сигнала от ионосферы, хотя из за нижнего слоя ионосферы днём это если и возможно, то весьма проблематично, но ночью когда "открывается проход" возможности для связи и возможные расстояния между операторами возрастают.

Короткие волны (КВ) — декаметровые волны:

До 100 м от 10 м. С радиолюбительскими диапазонами произошла интересная ситуация. В первые годы существования радио посчитали что волны ниже 250 м не слишком пригодны для практических целей, потому их полностью отдали в распоряжение энтузиастов. В будущем по мере развития технологии оказалось что с помощью коротких волн можно проводить связи на больших расстояниях при малой мощности передатчика. Конечно же данный факт не мог остаться без внимания и в КВ постепенно были выделены диапазоны для использования государственными и прочими службами, но в использовании радиолюбителей осталось большое количество строго определённых диапазонов коротких волн.

В РФ для радиолюбительской связи выделены диапазоны:

2 200 метров (условно считается коротковолновым)

160 метров (условно считается коротковолновым)

80 метров

40 метров

30 метров

Передачи SSB разрешены радиостанциям, непосредственно участвующим в трафике, направленном на спасение жизней людей.

20 метров

17 метров

15 метров

12 метров

10 метров

На территории России действуют следующие ограничения по мощности для коротковолновых диапазонов. Пиковая выходная мощность передатчика на частотах выше 3500 кГц не более 1000 Вт для радиостанции индивидуального и коллективного пользования 1 и 2 категории и полной лицензии CEPT, не более 10 Вт для радиостанции 3 категории и лицензии класса CEPT Novice. В диапазоне 1,8 МГц регламентируется средняя мощность не более 10 Вт для радиостанций 1, 2 и 3 категорий. Радиостанциям 1 и 2 категории во время проведения соревнований в этом диапазоне разрешено работать с пиковой мощностью до 500 Вт. Радиостанциям 4 категории работа в диапазонах коротких волн запрещена.

Поверхностные волны распространяются не слишком далеко, зато пространственные могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности и распространяясь подобными скачками могут несколько раз обогнуть всю землю.

Ультракороткие волны (УКВ) :

Волны длиной меньше 10 м. По свойствам противоположность сверхдлинных волн. Очень популярны для использования, распространяются в прямой видимости, хуже всех остальных диапазонов огибают и проходят насквозь препятствия, максимально поглощаются водой, не отражаются от ионосферы проходя сквозь неё и потому для общения на дальние расстояния с их помощью нужны ретрансляторы (спутники на орбите, антенные вышки), но при этом имеют очень большую частоту, а как следствие и большую потенциальную скорость передачи информации. 

Где же УКВ используются? Везде и вами в том числе. Например телевидение. У вас нет телевизора? Мобильная связь, вы наверняка пользуетесь телефоном, в наше время он есть практически у каждого. Общаетесь по телефону только через интернет? Беспроводной интернет и всеми любимый wi-fi это тоже радиоволны ультракороткого диапазона. По мимо перечисленного зона их использования это радиолокация, спутниковая и космическая радиосвязь, радиоастрономия, радиотермография (определение температуры биологических объектов) и радиоспектроскопия (определение структуры и состава вещества). Можно ещё упомянуть микроволновку: УКВ максимально эффективно поглощаются водой. Что при этом с ней происходит? Нагрев. Именно так микроволновка и работает.

Среди них выделяют диапазоны:

Метровые (10—1 м, 30—300 МГц)

Дециметровые (1—0,1 м, 0,3—3 ГГц)

Сантиметровые (100—10 мм, 3—30 ГГц)

Миллиметровые (10—1 мм, 30—300 ГГц)

Децимиллиметровые (1—0,1 мм, 0,3—3 ТГц)