Використовуваних радіочастот

 

Першим технічним застосуванням радіоелектроніки було передавання інформації на відстань за допомогою електромагнітних хвиль, або радіохвиль. Для його здійснення треба, утворити канал радіозв'язку, що складається з радіопередавача, середовища, в якому поширюється радіосигнал, і радіоприймача (рис. 8.1).

Основними фізичними процесами в каналі зв'язку є: генерація високочастотного коливання; перетворення сигналу повідомлення на електричну форму і здійснення ним модуляції високочастотного коливання; випромінювання модульованого високочастотного сигналу передавальною антеною у відкритий простір у вигляді радіохвилі; приймання корисного сигналу приймальною антеною на (фоні численних завал: виділення з них корисного сигналу; його підсилення і перетворення на форму, зручну для використання.

Залежно від способу перетворення повідомлень на електричні сигнали їх перетворювачами можуть бути телеграфний ключ при радіотелеграфному способі зв'язку, мікрофон при телефонії та радіомовленні, телевізійна передавальна трубка для перетворення зображень, електричні датчики спеціального призначення для передавання повідомлень про будь-які неелектричні величини або процеси. Частота високочастотного сигналу, який модулюють сигналом повідомлення, залежить від спектрального складу останнього, способу модуляції й умов поширення радіохвиль у просторі. В сучасних каналах радіозв'язку по кабельних і світловодних мережах передавання сигналів можна здійснювати без випромінювання у відкритий простір.

У приймальній антені сигнал радіостанції, на носійну частоту якої настроєно радіоприймач, створює струми високої частоти. Проте випромінювання решти радіостанцій, а також широкосмугові атмосферні, космічні, промислові та побутові випромінювання створюють у приймальній антені численні додаткові струми. Отже, основним завданням оброблення сигналу на приймальному кінці каналу зв'язку є виділення підсилення, перетворення на сигнали повідомлення (демодуляція) і форму, зручну для подальшого використання. Такою формою можуть бути надрукований текст, звук, зображення на екрані, цифри або текст на дисплеї, графіки, побудовані самописними приладами, керувальні сигнали для виконавчих механізмів тощо.

Рис. 8.1. Структура каналу радіозв'язку

 

Однією з основних властивостей систем радіозв'язку і радіомовлення є їхня багатоканальність, яка забезпечується модуляцією і рознесенням носійних частот, тобто через одне й те саме середовище (або по одній лінії зв'язку) одночасно передається інформація по кількох незалежних каналах зв'язку. Кожен із цих каналів характеризується носійною частотою і смугою частот навколо неї, яку він займає. Ширина цієї смуги залежить від інформативності каналу, тобто від кількості інформації, що передається за одиницю часу. Таким чином, на спільній шкалі радіочастот для кожного каналу зв'язку виділено певну смугу частот, а капали, смуги частот яких межують між собою, називають сусідніми каналами. Для зручності всю шкалу радіочастот поділено на діапазони з урахуванням деяких особливостей поширення і властивостей окремих ділянок електромагнітного спектра.

Розподіл радіохвиль за діапазонами досить умовний і різкої межі між сусідніми діапазонами немає: особливості одного діапазону досить плавно трансформуються в особливості сусіднього. Проте особливості поширення радіохвиль у навколишньому середовищі з урахуванням властивостей земної кори та стану атмосфери значною мірою визначають використання того чи іншого діапазону для потреб передачі й оброблення інформації. Міжнародними угодами прийнято розподіл радіохвиль за діапазонами згідно з декадним принципом, який ілюструє табл. 8.1.

Атмосфера Землі є неоднорідною газовою оболонкою, в якій можна ви ліпити по висоті три характерні частини (рис. 8.2): тропосферу (до 50 км), стратосферу (до 90 км) та іоносферу. Останню утворюють іонізовані пш дією сонячного і космічного випромінювання шари розріджених газів . Рівні іонізації залежать від часу доби та року, географічної широти і процесів, що відбуваються на Сонці.

В іоносфері розрізняють три області (D, E, F), в кожній з яких відбуваються свої іонізаційні процеси. Наприклад, удень область F розщеплюється на дві – нижню F₁ та верхню F₂ , влітку іонізація всіх шарів іоносфери збільшується, а шару F₂ – зменшується.

 

Таблиця 8.1

Номер діапазону	Найменування хвиль	Наймену­вання частот	Діапазон хвиль	Діапазон частот	Основні галузі використання
	Декамегаметрові	—	105...І04 км	3...3О Гц	Не використовуються
	Мегаметрові	—	104...103 км	30...300 Гц	- " -
	Гектокілометрові	—	103...102 км	0,3...3 кГц	- " -
	Міріаметрові	Дуже низькі	102...10 км	3...30 кГц	Радіонавігація, радіозв'язок, радіорозвідка корисних копалин, метеослужба
	Кілометрові	Низькі	104...103 м	30...300 кГц	Радіозв'язок, радіомовлення, радіонавігація
	Гектометрові	Середні	103...102 м	0.3...3 МГп	Те саме
	Декаметрові	Високі	102...10 м	3...30 МГц	Радіозв'язок, радіомовлення, радіонавігація, магістральні космічні лінії радіозв'язку
	Метрові	Дуже високі	10...1 м	30...300 МГц	Радіозв'язок, телебачення, радіоастрономія, космічний зв'язок
	Дециметрові	Ульїра- високі	101...10 см	0,3...3 ГГц	Радіолокація, радіонавігація, телебачення, радіорелейний зв'язок, космічний зв'язок, радіоастрономія, радіомедицина,радіофізичні дослідження
	Сантиметрові	Надвисокі	10..1см	3...30 ГГц	Радіолокація, радіоастрономія, радіомедицина, радіорелейний і космічний зв'язки
	Міліметрові	Вкрай високі	10...1 мм	30...300 ГГц	Радіолокація, радіоастрономія, радіоспектроскопія, космічний зв'язок
	Дециміліметрові	Гіпервисокі	1..0,1 мм	0,3...3 ТГц	Радіоспектроскопія, дослідні роботи
	Світлові	—	Менш як 0,1 мм	Понад 3 ТГц	Радіозв'язок, телебачення, голографія, космічний зв'язок за межами Землі

 

Рис. 8.2. Поширення радіохвиль різної довжини у просторі

 

Крім відносно стабільних шарів іонізації, в іоносфері спостерігається ще спорадична іонізація, що виникає випадково в окремих її ділянках, наприклад унаслідок метеорних явищ.

Поширення радіохвиль у просторі супроводжується такими явищами: як відбиття, розсіяння, поглинання, заломлення, дифракція, інтерференція.

Поширення радіохвиль може відбуватися двома шляхами (рис. 8.2): поверхневим променем 1, який огинає поверхню Землі завдяки дифракції, і просторовим променем, який може одноразово (2) або багаторазово (3) відбиватися від іоносфери та поверхні землі. Яким із цих шляхів радіс хвилі досягають місця розташування приймальної антени, залежить від стану іоносфери, властивостей поверхні Землі, а також від носійної частоти радіосигналу.

При поширенні радіохвиль поверхневим променем вони взаємодіють з поверхнею Землі. Остання за електричними властивостями є напівпровідником, провідність якого залежить від частоти струму. Радіохвилі наводять у поверхні Землі індукційні струми, значення яких збільшується із зростанням частоти, тобто з підвищенням частоти зростає згасання і зменшується віддаль поширення радіохвиль. Коли ж довжина хвилі стає сумірною з розмірами окремих об'єктів на Землі, дифракція спадає і на поширення радіохвиль починає впливати їх відбиття від елементів поверх Землі та будівель. Характер взаємодії радіохвиль з поверхнею Землі ускладнюється через її неоднорідності (простори океанів, пустель, лісів

Просторовий промінь радіохвиль взаємодіє з іоносферою, внаслідок чого вільні електрони під дією електромагнітного поля починають коли ватися з його частотою й утворюють змінні струми. Електрони, що руха ються, зіштовхуються з нерухомими іонами і віддають їм частину енергії, яку вони одержали від радіохвиль. Чим менша частота коливань, тим більший за період шлях проходить електрон і тим більше за цей час зіткнень у нього відбудеться з іонами, що зумовлює збільшене поглинання енергії радіохвиль.

Фізично процес відбиття від іоносфери можна уявити так: наведені в іоносфері струми створюють власне електромагнітне поле, яке, додаючись до поля хвилі, що падає, спричинює її відбиття в напрямку.Землі.

Відбиття від іоносфери можна пояснити також з позиції заломлення радіопроменя під час проходження в шарах іоносфери, де поступово зменшується діелектрична проникність (збільшується концентрація електронів). Якщо заломлений радіопромінь встигне зайняти горизонтальне положення нижче шару з максимальною концентрацією вільних електронів, то, продовжуючи заломлюватись, він спрямовується в напрямку Землі (див. рис. 8.2, промінь 4). У протилежному разі радіопромінь виходить у космічний простір і на Землю не повертається.

Кілометрові хвилі помітно дифрагують, порівняно слабко поглинаються земною поверхнею і поширюються переважно поверхневим променем на віддалі до 3000 км. В іоносфері вони швидко згасають. Однак уночі, коли концентрація електронів у шарі F зменшується, кілометрові хвилі можуть відбиватися від іоносфери та поширюватися просторовим променем на віддалі понад 3000 км.

Гектометрові хвилі досить швидко згасають унаслідок поглинання земною поверхнею. Їхня дифракція проявляється слабко і тому гранична відстань зв'язку на цих хвилях не перевищує 1000 км. Уночі ж їхнє відбиття від шару Е іоносфери стає значним і просторовий промінь забезпечує стійкий радіозв'язок на відстані до 4000 км.

Однією з особливостей електромагнітного поля кіло- та гектометрових хвиль поверхневого променя є практично вертикальна його поляризація. Поздовжня електрична компонента хвилі, що поширюється над поверхнею Землі, дуже мала і її впливом можна знехтувати. Це враховується при проектуванні антен для названих діапазонів електромагнітних хвиль.

Декаметрові хвилі поширюються просторовим променем. Поверхневий промінь декаметрових хвиль унаслідок сильного поглинання поширюється лише на кілька десятків кілометрів. До того ж їхня дифракція вираже-на дуже слабко. Умови поширення декаметрових хвиль істотно залежать від частоти в межах діапазону та концентрації електронів у різних шарах іоносфери. З переходом до більш коротких хвиль заломлення їх в іоносфері зменшується. На декаметрових хвилях немає поляризаційних обме-жень, але горизонтальна поляризація має деякі переваги через те, що такі хвилі мають кращі умови відбиття від поверхні Землі під малими кутами, Концентрація електронів в Іоносфері залежить від сонячної активності. тому в межах діапазону декаметрових хвиль виділяють частоти для ден-них і нічних сеансів зв'язку. Наприклад, до денних відносять хвилі зав-довжки від 10 до 25 м, які добре відбиваються шаром F та слабко погли-ться шаром Е. Вночі ж, коли концентрація електронів в іоносфері зменшується, денні хвилі виходять у космічний простір. Нічні хвилі ле жать у діапазоні від 35 до 100 м. Хвилі завдовжки від 25 до 35 м викорис товують вранці й увечері.

Навіть мала потужність радіопередавальних пристроїв на коротких хвилях може забезпечувати зв'язок на відстань, що перевищує 5000 км. Однак для зв'язку на декаметрових хвилях характерними є зони мовчання і зони завмирання сигналів. Якщо, наприклад, поверхневий промінь 1 (див рис. 8.2) поширюється лише до точки А, а просторовий промінь 2 від тієї самої станції починає прийматися після точки В, то проміжок між А і В для цієї частоти буде зоною мовчання, тому що за будь-яких умов прийняти такий сигнал на цьому проміжку неможливо. Із зменшенням довжини хвилі зони мовчання розширюються, оскільки відстань приймання поверхневим променем скорочується, а просторовий промінь заломлюється іоносферою з орієнтацією на Землю при менших кутах падіння.

Завмирання сигналів в точці В зумовлюються інтерференцією кількох просторових променів від однієї станції, які прийшли в точку приймання різинми шляхами, тобто з різними фазами. Наприклад один промінь може бути поверхневим, а інший – просторовим або один промінь – після одноразового відбиття (промінь 2), а інший (промінь 3) – після багаторазового. Через те, що умови поширення променів змінюються довільно, сигнали в точці приймання можуть бути у фазі, у протифазі або в будь-якому довільному співвідношенні фаз. Це є причиною флуктуацій та завмирання сигналів. Для боротьби з цим явищем застосовують автоматичне регулювання підсилення (АРП) в радіоприймачах і приймання на кілька рознесених у просторі антен.

Метрові хвилі в межах Землі поширюються лише поверхневим променем 5 (див. рис. 8.2) на відстані прямої видимості. Ці хвилі не відбиваються іоносферою, не огинають Землю та перешкоди на своєму шляху, дуже сильно поглинаються поверхнею. Відстань зв'язку при цьому визначається тільки висотами приймальної та передавальної антен і може бути визначена за формулою

, (8.1)

де H₁, Н₂ –висоти антен над поверхнею Землі; R₃ –їїрадіус.

Однак метровий діапазон є найбільш інформаційно містким з усіх розглянутих. Лише в цьому діапазоні можна забезпечити широкосмугову пере' дачу сигналів (наприклад, телевізійних) при великій кількості одночасно працюючих каналів. Тому для використання цього діапазону буду радіорелейні лінії зв'язку, ретрансляційні станції, в тому числі на штучну супутниках зв'язку. Властивість метрових хвиль поширюватись тільки прямолінійно застосовується в радіолокації та радіонавігації, проходження їх крізь іоносферні шари без відбиття і заломлення лежить в основі побудов зв'язку з космічними об'єктами, в тому числі з міжпланетними станціями.

Останнім часом для зв'язку широко використовуються досягнення оптоелектроніки, а також рентгенівські промені для передачі інформації.