Изучение влияния атмосферы на распространение магнитных волн реферат
Обновлено: 12.05.2024
1. СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.
Воздействие радиоволн на приемное
устройство, находящееся на некотором
расстоянии от излучателя, удобно
оценивать величиной напряженности
электрического поля E, которую имеют
радиоволны в пункте приема.
Напряженность поля обратно
пропорциональна расстоянию r между
излучателем и приемным устройством. В
случае изотропного излучателя
напряженность поля вычисляется из
соотношения
Здесь E - действующее значение напряженности
электрического поля волн, выражаемое в вольтах на
метр (в/м); - мощность излучения в ваттах; r расстояние в метрах. На значительных расстояниях
от излучателя поле получается слабым и его
напряженность удобнее выражать в микровольтах
на метр (мкв/м).
В качестве примера определим напряженность
поля изотропного излучателя при мощности
излучения 10 кВт на расстоянии 5000 км в
свободном пространстве:
Чтобы оценить эту напряженность поля с точки зрения
возможностей радиоприема, нужно, строго говоря,
сопоставить ее с напряженностью поля помех в том же
пункте приема. Практически можно указать, что
радиослушатели ведут прием художественного вещания при
напряженностях поля в сотни и тысячи микровольт на метр,
тогда как для радиоприема в профессиональной связи
иногда удовлетворительной оказывается напряженность
поля в единицы и десятки микровольт на метр.
Но создать строго изотропное излучение радиоволн
практически невозможно, да и не нужно. Реальные антенны
имеют направленное излучение; оно
характеризуется коэффициентом направленного действия
D, который показывает, во сколько раз поток мощности в
направлении максимального излучения больше, чем
средний поток мощности. Для свободного пространства
напряженность поля в направлении максимального
излучения реальной антенны
Следовательно, эффект направленности излучения
антенны равноценен увеличению мощности
излучения в D раз, т.е. благоприятен для связи по
направлению максимального излучения.
Если излучатель находится над идеально
проводящей плоскостью (в свободном
"полупространстве"), то волны, падающие на эту
плоскость, отражаются в верхнее
полупространство и мощность
распространяющихся волн удваивается. В этих
идеальных условиях напряженность
Все три приведенные формулы
называются формулами идеальной радиопередачи.
Характерно то, что в этих условиях напряженность
поля не зависит от длины волны! Однако нам уже
известно, что сопротивление излучения при
данной длине антенны уменьшается с удлинением
волны. Следовательно, и мощность излучения
зависит от длины волны.
От длины волны зависят не только условия излучения, но и
условия распространения радиоволн. Во-первых, при
наземной радиосвязи распространение радиоволн
происходит в земной атмосфере, свойства которой могут
существенно отличаться от свойств свободного
пространства. Во-вторых, радиоволны распространяются
над земной поверхностью, которая не является плоской и не
обладает идеальной проводимостью. И атмосфера, и земная
поверхность оказывают большое влияние на законы
распространения радиоволн и создают сложную
зависимость напряженности поля от длины волны в пунктах
приема. Следовательно, даже при заданных величинах
мощности излучения и коэффициента направленности
антенны напряженность поля в каком-то пункте будет для
волн разной длины существенно различной. Разделение
радиоволн на диапазоны в значительной мере определяется
особенностями их распространения. Более того,
особенности распространения радиоволн разных
диапазонов учитываются при выборе назначений или
областей применения этих диапазонов.
Разделение всей шкалы радиочастот (радиоволн)
на диапазоны и наиболее характерные области
применения их показаны в табл.7-1.
Ионосфера изменчива, она состоит из нескольких слоев,
обозначаемых буквами D, Е, F1 и F2 (рис. 15), причем нижний
слой Dсуществует только днем, пока светит Солнце. Меняется
в зависимости от времени суток и степень ионизации (т. е.
концентрация заряженных частиц - электронов и ионов)
других слоев ионосферы. Поэтому и условия радиосвязи днем
и ночью различны. Например, короткие волны делятся на
"ночные" и "дневные". Ночью связь на большие расстояния в
коротковолновом диапазоне легче установить на волнах от 50
до 100 м, а днем - от 10 до 50 м.
Состояние ионосферы зависит не только от времени суток, но
и от времени года, географического положения, активности
Солнца. В разных точках земного шара работают
специальные станции, которые следят за ионосферой. По
данным этих станций можно предсказать состояние
ионосферы и составить прогноз распространения радиоволн
на несколько месяцев вперед. Такие прогнозы издаются в
нашей стране и в других странах и помогают выбрать
наилучшие условия для радиосвязи.
Длинные волны хорошо отражаются от Земли и нижнего слоя
ионосферы, которые являются для волн этого диапазона как бы
двумя стенками волновода. По волноводу Земля - ионосфера
длинные волны могут распространяться на расстояния в
несколько тысяч километров.
Длинноволновые радиостанции работают на длинах волн, не
превышающих 20—25 км. Однако в природе есть источник
сверхдлинных волн — до 35—100 км и более. Этот источник —
разряды молний. Возбуждаемые молниями радиосигналы
называютсяатмосфериками. В любой точке земного шара можно в
любую минуту зарегистрировать несколько таких сигналов.
Изучение атмосфериков дает дополнительные сведения о
свойствах ионосферы.
Средние волны днем сильно поглощаются нижним
слоем Dионосферы и могут распространяться только вдоль земной
поверхности, огибая земной шар за счет дифракции. После захода
Солнца слой Dисчезает, а следующий слой Е ионосферы отражает
средние волны, поэтому ночью к прямой волне,
распространяющейся вдоль поверхности Земли, добавляются
волны, отраженные от ионосферы. Благодаря отраженным волнам
связь на средних волнах возможна ночью на более далекие
расстояния. Однако из-за интерференции отраженных волн с
прямой и друг с другом принимаемый сигнал временами
ослабевает. Это явление называют федингом или замиранием
сигнала.
Рис. 16. Благодаря отражениям от ионосферы и от
поверхности Земли сигналы коротковолновой
радиостанции могут приниматься в удаленных точках
Земли.
Связь на длинных и средних волнах довольно устойчива и мало подвержена
влиянию атмосферных помех. Но эти волны постепенно затухают по мере удаления
от передающей радиостанции, поэтому для связи на большие расстояния (более
1000 км) нужны очень мощные радиостанции. А вот на коротких волнах даже
сигнал маленькой радиолюбительской станции при благоприятных условиях
можно принять в любой точке земного шара. Короткие волны могут многократно
отражаться от ионосферы и поверхности Земли и огибать нашу планету (рис. 16).
Но поскольку короткие волны отражаются в основном от верхнего слоя
ионосферы F2, они наиболее чувствительны к всевозможным изменениям,
происходящим в ионосфере. Показанная на рисунке 15 структура ионосферы
нестабильна и под действием вспышек солнечного излучения может временно
нарушаться. Это приводит к внезапным ухудшениям условий радиосвязи на
коротких волнах. Бывает даже, что радиосвязь на коротких волнах днем полностью
исчезает на время от нескольких минут до нескольких часов.
Ультракороткие волны — короче 5—7 м. — и СВЧ волны свободно проходят сквозь
атмосферу. Именно на этих волнах осуществляется связь с космическими
кораблями. В этом же диапазоне длин волн работает и радиоастрономия,
изучающая радиоизлучение небесных тел (см. т. 2 ДЭ, ст. "Как работают
астрономы"). Среди излучений небесных тел встречаются электромагнитные
волны любых диапазонов - и длинные, и СВЧ, и субмиллиметровые, и световые, и
ультрафиолетовые, и даже рентгеновские. Это обнаружено приборами,
установленными на искусственных спутниках Земли. Атмосфера же не пропускает
большую часть этих волн к Земле.
В атмосфере есть всего два "окна": в области видимого света и в области УКВ и СВЧ.
Первым "окном" люди пользуются уже тысячи лет, глядя на звезды в телескопы,
подзорные трубы или просто невооруженным глазом. А вот "радиоокно" было
обнаружено лишь в XX в. благодаря применению в астрономии радиофизических
методов.
Рис. 17. Сверхдальнее распространение ультракоротких
воли в приземном слое воздуха — атмосферном
волноводе.
При наземной связи УКВ и СВЧ волны
распространяются в тропосфере лишь в зоне
прямой видимости, поэтому телевизионные
антенны стараются поднять как можно выше. Но
иногда и эти волны могут приниматься далеко за
линией горизонта. При некоторых значениях
температуры и влажности они распространяются в
приземном слое воздуха толщиной несколько сотен
метров, не выходя за пределы этого слоя, как в
волноводе (рис. 17). Этот слой
называютатмосферный волновод.
Поглощение и рассеяние радиоволн каплями
дождя, снежинками, облаками и другими
неоднородностями атмосферы помогают
метеорологам изучать атмосферу и предсказывать
погоду.
Тропосферой называется приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты примерно 10—15 км. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы.
Рассеяние на флуктуациях e. Помимо регулярных изменений e с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей e, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 10). При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.
Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l4, если размер рассеивающей частицы d > l. Практически через область сильного дождя или тумана волны с l 1.).
Отраженные лучи при этом будут иметь разные разности хода, так как расстояния от вторичных излучателей к приемной радиостанции будут разными. Таким образом, на входе радиоприемника даже при экранировании регулярного луча появится радиосигнал, образованный путем интерференционного добавления отраженных сигналов. Поскольку в процессе функционирования системы MS постоянно перемещаются, то изменяется и количество объектов, которые отражают, с разной эффективностью отражения и разностью хода лучей. Вследствие этого, отраженный сигнал на входе приемника MS будет постоянно колебаться (флуктуировать).
При определении зоны покрытия должны учитываться все особенности пересеченной местности с целью максимального исключения теневых участков возможных трасс радиосвязи, затухания в осадках, отражение, интерференция, влияние неоднородностей. В зоне покрытия радиосвязь должен обеспечиваться практически для любой точки нахождения MS. Это достигается не только координатным размещением BS, но и выбором высот поднятия их антенн, которые преобладают для данной местности и учитывают основные направления трасс радиосвязи.
Использование антенн направленного действия, диаграммы направленности которых частично перекрываются, дает возможность формировать круговую диаграмму направленности BS. Кроме того, предполагается возможность изменения излучаемой мощности и ее автоматическое регулирование в каждому отдельному субканале.
1. Крук Б.И., Попатонопуло В.Н. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 1 – Современные технологии – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 647 с.
2. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. 5-е изд. - М.: Эко-Трендз, 1998
3. Кловский Д.Д. Теория передачи сигналов. – М.: Связь, 1973.
4. А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник. Системы радиосвязи – Учеб.пособие. Ч.3.-Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 2003.–90с.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
Введение Человечество живет в век высоких технологий. Прошло немногим более всего лишь 100 лет с момента открытия и использования человеком электромагнитных волн, но за это малое с точки зрения науки время, электромагнитные волны завоевали весь мир и покорили человека, ведь мы не можем представить себе жизни без них. Источники ЭМ-излучения согревают и освещают дома, служат для приготовления пищи, обеспечивают мгновенную связь с любым уголком мира. Задачи исследовательской работы: Узнать историю открытия электромагнитных волн. Изучить, что же такое электромагнитные волны? Подробно познакомиться с экспериментальной установкой. Выяснить, где применяются электромагнитные волны в современной цивилизации человека. Исследовать опасность электромагнитных волн на здоровье человека.
История открытия электромагнитных волн. Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Джеймс Клерк Максвелл 1831-1879
Что же такое электромагнитные волны? Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.
Явление электромагнитной индукции Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током. Майкл Фарадей 1791-1867
Явление электромагнитной индукции Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции.
Доказательство существования электромагнитных волн Генрихом Герцом. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла. Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор, состоящий из двух стержней, разделенных искровым промежутком (вибратор Герца). При определенной разности потенциалов в промежутке между ними возникала искра – высокочастотный разряд, возбуждались колебания тока и излучалась электромагнитная волна. Для приема волн Герц применил резонатор – прямоугольный контур с промежутком, на концах которого укреплены небольшие медные шарики. Генрих Рудольф Герц 1857-1894
Доказательство существования электромагнитных волн Генрихом Герцом. В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну. Вибратор Герца имел длину от 2,5 м до 1 м, что соответствовало волнам длиной от 5 до 2 м, то есть полученные Герцем волны в миллион раз превосходили по длине световые волны.
Электромагнитное излучение подразделяется на: Радиоволны Ультрафиолетовое излучение Инфракрасное излучение Рентгеновское излучение Видимый свет
Радиоволны Радиоволны – это электромагнитные волны с длиной волны более 0,1мм. С их помощью осуществляется передача на расстояние звуковых сигналов, изображений, телеметрической информации со спутников и многое другое. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. Солнце, окружающие нас тела, антенны передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят разные названия: короткие и длинные волны и др. Целое направление медицины – физиотерапия – успешно использует электромагнитное излучение для лечения различных заболеваний При острых воспалительных процессах применяют всем известный УВЧ-прибор, генерирующий электромагнитные волны ультравысокой частоты с короткой длиной волны. Ткани нашего организма поглощают эти волны и преобразуют их в тепловую энергию. В результате ускоряется процесс выздоровления.
Инфракрасное излучение Инфракрасное излучение – электромагнитные волны с длиной волны от 0,74 мкм до 2000 мкм - испускают любые и необязательно горячие тела. Источниками мощного инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. ИК-излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины. Люди и животные тоже испускают инфракрасное излучение, только гораздо меньшей интенсивности С помощью специальных приборов ИК-излучение можно преобразовать в видимый свет и получить изображения предметов в полной темноте.
Видимый свет К видимому свету относят электромагнитные волны с длиной волны примерно от 770нм до 380нм, от красного до фиолетового света. Значения этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием для развития зелёных растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение Ультрафиолетовое излучение – электромагнитные волны с длиной волны от 10 до 400 нм – способно убивать болезнетворные бактерии, поэтому его широко применяют в медицине. УФ-излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготовляют из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей, поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи Рентгеновские лучи – электромагнитные волны с длиной волны от 8·10-6 до 10-12 см, невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачные для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определённое свечение некоторых кристаллов и действовать на фотоплёнку. Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, например, сварных швов.
Сотовые телефоны. Опасны ли они для человека? Сотовые телефоны уже давно стали незаменимым атрибутом современного мира. С помощь них мы всегда на связи с теми, кто нам дорог и с теми, кто может решить самые сложные вопросы, находясь в любой точке мира. Создание сотового телефона можно назвать настоящей революцией технического прогресса. Но, как известно, любой технический прогресс помимо благ несет и негативные последствия. В случае с сотовым телефоном вред причиняется здоровью человека.
Как работает сотовый телефон Компактное сложное высокотехнологичное электронное устройство мобильной связи. Включает в себя - приёмопередатчик на 2-4 СВЧ-диапозона, специализированный контроллер управления, интерфейсные устройства, дисплей, аккумулятор. Сотовый телефон и базовая станция поддерживают постоянный радиоконтакт. При перемещениях сотовый телефон периодически переключается с одной базовой станции на другую, выбирая станцию, от которой исходит более мощный сигнал. Даже когда телефон находится в режиме ожидания вызова, и разговор не ведется - он работает в пульсирующем режиме.
Вред от сотового телефона. Ученые установили, что мобильная связь - источник вредного электромагнитного излучения для здоровья человека. В настоящее время доказано, что электромагнитные волны стимулируют изменения на клеточном уровне, вызывают нарушения генного порядка, способствуют появлению больных клеток и болезнетворных опухолей. Основными симптомами неблагоприятного сотового телефона на состояние здоровья являются: Головные боли Сонливость Раздражительность Нарушения памяти и ухудшение способности к концентрации Синдром хронической усталости Боль и резь в глазах Сухость слизистой оболочки глаза Прогрессирующее ухудшение зрения Перепады артериального давления и пульса
Вред от сотового телефона. Электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, генерируемое трубкой, поглощаются тканями головы, в частности, тканями мозга, сетчаткой глаза, структурами зрительного, вестибулярного и слухового анализаторов, причем излучение действует как непосредственно на отдельные органы и структуры, так и опосредованно, через проводник, на нервную систему. Все эти признаки характерны для вегето-сосудистой дистании. Кроме того, под воздействием вредных электромагнитных полей, которые генерирует мобильный телефон, в организме возникает так называемая реакция напряжения иммунной системы. По словам врачей, от этого может снизиться сопротивляемость организма болезням и прочим вредным внешним воздействиям. По мнению ученых, длительное нахождение рядом с источниками электромагнитного излучения может вызывать астенический синдром, преждевременное старение организма, нарушение обменных процессов, болезни нервной системы, органов чувств и ряд других заболеваний.
Как пользоваться сотовым телефоном Ограничить время и частоту использования сотового телефона - более 2-3 минут за один вызов и более 10-15 минут в день. Не спите рядом с сотовым телефоном. Электромагнитное излучение мобильного телефона даже в режиме ожидания негативно воздействует на центральную нервную систему, нарушая нормальное чередование фаз сна. Старайтесь как можно меньше носить сотовый телефон близко к телу, например в карманах, лучше носить его в сумке. Стараться по возможности не использовать телефон в тех местах, где наблюдается плохой приём (лифт, подземные помещения, транспорт и т. д.), так как при плохом приёме мобильный телефон пытается найти антенну-передатчик, и из-за этого его излучение многократно усиливается. Реже использовать мобильный телефон в закрытых помещениях, так как излучаемые им волны могут отражаться стенами и покрытиями, что в несколько раз усиливает облучение. Не прикладывайте мобильный телефон к уху в тот момент, когда он находится в процессе поиска оператора сети. В этот момент он излучает сильнее всего. То же самое относится и к сельской местности, где, вдалеке от антенн, также нередко наблюдается плохой приём мобильной связи. Выбирая телефон, поинтересуйтесь уровнем его излучения (SAR) и старайтесь выбрать телефон с наименьшим показателем.
Опрос среди учащихся нашей школы № У вас есть мобильный телефон ? Сколько лет Вы пользуетесь мобильным телефоном ? Сколько мобильных телефонов в семье Что Вы испытываете после длительного использования мобильного телефона ? 1 + 10 4 - 2 + 8 5 - 3 + 9 3 - 4 + 9 4 Сонливость 5 + 8 3 - 6 + 10 5 Сонливость 7 + 7 4 - 8 + 8 2 Головные боли 9 + 8 4 - 10 + 6 5 - 11 + 10 3 Боль и резь в глазах 12 + 9 3 Сухость слизистой оболочки глаза 13 + 5 5 - 14 + 8 3 Сонливость 15 + 6 4 - 16 + 7 4 - 17 + 7 5 Головные боли 18 + 8 3 - 19 + 9 4 Резь в глазах 20 + 6 5 -
Космические радиолинии Электромагнитные волны, с помощью которых радиосигнал передается в космическом пространстве, движутся с гигантской скоростью — скоростью света. На Земле задержки в передаче почти не ощущаются, а вот с космонавтами на орбите приходится говорить уже с задержкой. Ответ с Луны будет идти полторы секунды, с Марса — уже минут шесть. Кроме того, по мере удаления передатчика сигнал стремительно затухает.
ГОСТ
Радиоволны
Радиоволна – это электромагнитная волна, частота которой может достигать 3 терагерц, распространяющаяся в пространстве без искусственного волновода.
Радиоволнами, в широком смысле, являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в линиях передачи, аппаратуре и природных условиях. В вакууме они распространяются со скоростью света. К естественным источникам радиоволн относятся астрономические объекты и вспышки молний. Искусственно созданные радиоволны используются для подвижной и стационарной радиосвязи, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, радиовещания, организации беспроводной компьютерной сети и т.п. Радиоволны могут классифицироваться следующим образом:
- Согласно ГОСТ 24375-80 радиоволны делятся на крайне низкие, сверхнизкие, инфранизкие, очень низкие, низкие, средние, высокие, очень высокие, ультравысокие, сверхвысокие, крайне высокие и гипервысокие.
- По способу распространения радиоволны делятся на прямые, поверхностные, направляемые, пространственные (ионосферные) и тропосферные. Прямые радиоволны распространяются в свободном пространстве от одного объекта к другому. Для данного вида волн влиянием атмосферы, Земли и посторонних предметов можно пренебречь. Поверхностные (земные) волны распространяются вдоль сферической поверхности Земли. К тропосферным волнам относятся радиволны ультравысокочастотные и волны очень высокой частоты, которые распространяются благодаря рассеянию на неоднородностях атмосферы на расстояние не более 1000 километров. Направляемы радиоволны распространяются в направляющих системах - радиоволноводы.
Влияние атмосферы на распространение радиоволн
Атмосфера – это газовая оболочка, которая окружает Землю и состоит из трех слоев: тропосферы (0-15 километров), стратосферы (от 15 до 60 километров) и ионосферы (от 60 до 20 000 километров).
Готовые работы на аналогичную тему
На распространение радиоволн в слоях атмосферы оказывают влияние такие явления как:
- Усиливающая или ослабляющая интерференция волн, которые приходят в принимающему объекту.
- Отражение от построек и растений на поверхности Земли.
- Поглощение радиоволн метеорологическими осадками и газами.
- Отражение радиоволн от ионосферы.
- Отражение от поверхности Земли.
- Искривление волн тропосфере.
- Огибание волнами поверхности Земли.
Схема влияния атмосферных явлений на распространение радиоволн изображена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема влияния атмосферных явлений на распространение радиоволн. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь: ПРД - передатчик; ПРМ - приемник; а - огибание Земли (дифракция); б - рефракция (искривление радиоволн); в - отражение от ионосферы; г - отражение от Земли ; д - прямое прохождение.
Ионосферой оказывается существенное влияние на распространение радиоволн. Некоторая часть радиоволн проходит через нее, а другая отражается, при этом отражение может происходить от разных слоев, в зависимости от длины волны. В процессе распространения поверхностных радиоволн их энергия частично поглощается Землей. При этом объем поглощения энергии волн зависит от их длины. Поверхностные волны в процессе распространения огибают поверхность планеты и встречают на пути препятствия - дифракция.
Распространение радиоволн в тропосфере зависят от ее состояния и процессов, происходящих в ней. Состояние тропосферы определяется давлением, температурой и влажностью. Здесь сосредоточены около 75 % всей массы атмосферы и почти вся ее влага. В ней происходят такие процессы, как формирование погоды (образование снега дождя, облачности и т.п.) и перемешивание воздушных масс. В тропосфере происходит рефракция (искривление направления распространения радиоволн), поглощение, рассеяние неоднородностями рассеяние и поглощения гидрометеорами (капли дождя, туман, частицы снега и т.п.).
Рефракция радиоволн в тропосфере связана с изменением диэлектрической проницаемости в ней - изменение коэффициента преломления волны. Она делится на положительную и отрицательную. Положительная рефракция возникает при условии, что удельная влажность воздуха не изменяется с высотой, а температура снижается пропорционально увеличению высоты. Если метеорологические условия в тропосфере сложились таким образом, что коэффициент преломления радиоволны возрастает с высотой, то такая рефракция называется отрицательной или пониженной, которая может возникать, например, в результате переноса масс холодного воздуха с берега на более теплое море или при снегопаде. Для науки особый интерес представляют сверхрефракция и критическая рефракция. При критической рефракции дальность работы современных радиосредств значительно выше, чем при нормальной, а возникает она в том случае, если влажность убывает с высотой также, как и при нормальной, температура меняется медленнее. Сверхрефракция может наблюдаться, когда температура снижается медленнее, а влажность значительно быстрее, чем при нормальной рефракции. В данном случае дальность действия радиосредств может существенно возрасти, потому что распространение волн происходит вдоль тропосферного волновода.
Выше стратосферы располагается ионосфера – слой земной атмосферы, простирающийся до высот порядка 800 км, а за ней – экзосфера, переходящая в ближний космос, которая не оказывает влияния на радиоволны.
Ионосфера существенно влияет на распространение радиоволн. Благодаря ионосфере радиоволны распространяются вокруг поверхности Земли на весьма большие расстояния, даже при очень малых мощностях передатчиков. Предположение о влиянии верхней части атмосферы на распространение радиоволн впервые было высказано в 1902 г. после осуществления трансатлантической радиосвязи. Почти одновременно Кеннели (Америка) и Хевисайд (Англия) предположили, что в верхних областях атмосферы имеется большое количество положительных и отрицательных ионов. Эти ионы образуют проводящий слой атмосферы, так называемую ионосферу, от которой и происходит отражение радиоволн.
Рисунок 7.1 – Зависимость плотности свободных электронов от высоты Н
и времени суток. Зимнее время, средние широты
Ход кривой электронной концентрации можно пояснить следующим образом. В самых верхних слоях атмосферы ионизирующие факторы действуют сильнее всего, но плотность газов чрезвычайно мала. Поэтому, хотя в этих слоях почти все частицы ионизированы, величина Nневелика. В нижних слоях, наоборот, плотность атмосферы достаточно велика, но ионизирующее действие излучений, ослабленных при прохождении через всю толщу атмосферы мало, поэтому и число электронов в 1 см 3 тоже мало. В соответствии с уровнем электронной концентрации различают четыре области ионизации, которые обозначают буквами D, Е, F1, F2 и называют слоями.
Наиболее существенное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F2, имеющий наибольшую электронную концентрацию.
Электронная концентрация N существенно зависит от времени суток, времени года, 11-летнего периода изменения солнечной активности, географической широты, степени возмущенности Солнца и магнитного поля Земли, а также интенсивности действия внешних факторов.
Суточные изменения электронной концентрации в ионосфере примерно соответствуют изменению высоты Солнца (рис. 7.1). При этом максимум высоты Солнца соответствует максимуму электронной концентрации. Сезонные изменения в состоянии ионосферы выражаются как в изменении величины электронной концентрации, так и высоты ионизированных слоев. Так, например, слой F2, располагающийся днем в летнее время на высотах 300 – 450 км, в зимнее время опускается до высот 250 – 350 км.
При распространении пространственных радиоволн в ионосфере ее электрические заряды под воздействием электромагнитной волны сами начинают совершать колебательное движение и становятся источниками вторичных волн. При взаимодействии вторичных волн с первичными возникает результирующая волна. Скорость ее распространения зависит от электронной концентрации. Основными параметрами ионосферы будем считать ее диэлектрическую проницаемость Ɛ и проводимость Ϭ.
Диэлектрическую проницаемость ионизированного разреженного газа с электронной плотностью N без учета магнитного поля Земли, можно определить по формуле
, (7.1)
где – частота собственных колебаний электронов (плазменная частота);
N– концентрация электронов в плазме ионосферы;
– заряд электрона;
– масса электрона;
– частота столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами (частота релаксации).
Подставляя числовые значения в формулу (7.1) и приравнивая частоту релаксации нулю ( =0), получим формулу для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа
(7.2)
Из (7.2) видно, что при значительной электронной концентрации диэлектрическая проницаемость газа может равняться нулю. Условие выполняется на частоте .
(7.3)
С учетом собственной частоты ионизированного газа выражение (7.2) можно переписать.
, (7.4)
где f– частота радиоволны, кГц.
Из этих соотношений видно, что электрические свойства ионосферы неоднородны. Экспериментально установлено, что неоднородности ионосферы имеют размеры от нескольких метров до нескольких километров. На высоте 60. 80 км, т. е. в области D, преобладают более мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое E – неоднородности размером 200. 300 м, а в слое F – неоднородности размером в несколько километров. Неоднородности слоя F имеют продолговатую форму, вытянутую вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Отклонения неоднородностей электронной плотности от среднего значения электронной плотности окружающей ионизированного газа могут составлять (0,1. 1)%. Скорость движения неоднородностей не превышает 1. 10 м/с.
Как видно соотношений (7.2 – 7.4) диэлектрическая проницаемость ионосферы Ɛ всегда меньше единицы и тем меньше, чем ниже рабочая частота f. Это означает, что преломление радиоволн в ионосфере тем сильнее, чем больше длина радиоволн. Наоборот, для очень коротких радиоволн (высокие частоты) диэлектрическая проницаемость ионосферы очень мало отличается от единицы, и они почти не испытывают в ионосфере преломления.
Кроме того, установлено, что ионосфера является нестационарной анизотропной средой.
Нестационарность означает изменение во времени параметров ионосферы, а свойство анизотропии обусловлено наличием магнитного поля Земли. За счет влияния магнитного поля на ионосферу при распространении линейно поляризованных радиоволн (особенно метровых и дециметровых) наблюдается вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея), что вызывает поляризационные замирания радиосигнала.
Учитывая наличие в ионосфере слоев с различными Ɛ, можно представить себе траектории радиолучей в виде, показанном на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2 – Траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн
При некоторых условиях Ɛ= 0 преломленная в ионосфере радиоволна может возвратиться на землю. Такую волну называют отраженной.
Максимальную частоту электромагнитной волны, которая еще отражается при вертикальном падении на ионизированный слой, называют критической частотой. Она определяется:
(7.5)
гдеN –электронная концентрация данного слоя.
Поэтому ионизированным слоям D, Е, F1, F2 расположенным на различных высотах, соответствуют свои критические частоты. Если частота радиоволн выше критической, соответствующей данному ионизированному слою, то падающая на ионосферу волна не отражается, а лишь преломляется в ней и уходит в космическое пространство. Ионосфера для таких радиосигналов становится прозрачной.
Чтобы этого не произошло, необходимо рабочую частоту радиоэлектронного средства выбирать так, чтобы обеспечивалось условие
РЭС
Когда мы перестаем вкладывать наши силы в молодое поколение, тогда, пожалуй, наша работа на этой земле окончена. © Джордж Макдональд ==> читать все изречения.
Читайте также: