RadiobookA

Электромагнитные волны

Передача энергии и информации от передатчика к приемнику происходит при помощи электромагнитных волн (ЭМВ) или радиоволн, которые представляют собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле высокой частоты. Электромагнитное поле — это совокупность взаимосвязанных электрического (Е) и магнитного (Н) полей. Взаимосвязь заключается в том, что изменения напряженности электрического поля приводят к появлению магнитного поля, а изменяющееся магнитное поле вызывает появление электрического.

На рис. 1 дано векторное изображение электромагнитной волны (ЭМВ), распространяющейся вдоль оси z. Стрелками — векторами* показаны направление и величина (напряженность) полей E и H в разных точках на оси z в фиксированный момент времени. Вся картина движется вдоль оси z со скоростью света с = 300000 км/сек. Направление распространения связано по правилу винта с направлением поворота вектора E к вектору H по кратчайшему пути. Расстояние между двумя соседними гребнями (или впадинами) изменений поля E называется длиной волны λ. Длина волны связана с частотой f передатчика формулой:

* Вектором A называется отрезок прямой, имеющий длину A и заданное направление.

Между величинами E и H в ЭМВ существует однозначная зависимость

где μ и ε — магнитная и диэлектрическая проницаемости среды. Величину электромагнитного поля оценивают поэтому напряженностью только одного, чаще электрического поля E в вольтах на метр (в/м).

Поляризация. Волна называется вертикально-поляризованной, если плоскость, проходящая через направление распространения и вектор E вертикальна. Если вектор E расположен в горизонтальной плоскости, то волна называется горизонтально-поляризованной. В общем случае вектор E может иметь и вертикальную и горизонтальную составляющие.

Излучение ЭМВ. Передатчик излучает ЭМВ при помощи передающей антенны, которая преобразует высокочастотную энергию в энергию электромагнитного поля. Для эффективного излучения ЭМВ размеры антенны должны быть сравнимы с длиной волны. Например, провод длиной 1 м будет хорошим излучателем на диапазоне 2 м и малоэффективным на диапазоне 80 м. В свободно распространяющейся ЭМВ происходит непрерывный переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно.

Напряженность поля на расстоянии R [км] от антенны, излучающей мощность PΣ [вт] равномерно во всех направлениях, равна [11]:

В свободном пространстве напряженность поля пропорциональна квадратному корню из мощности и обратно пропорциональна расстоянию. В рассмотренном случае волна распространяется во все стороны равномерно, и мы имеем так называемый сферический фронт* волны. На больших расстояниях сферический фронт можно считать плоским, а волну — плоской волной. Заметим, что перпендикуляр к поверхности фронта волны совпадает с направлением распространения, — это используется в радиопеленгации.

Вертикально-поляризованные волны излучаются вертикальными антеннами типа штырь, луч, вертикальным симметричным вибратором, диско-конусной антенной. Горизонтально-поляризованные волны излучают горизонтальный диполь, петлевой вибратор, «квадрат».

* Фронт—это поверхность равных фаз, например, максимумов поля Е.

Распространение ЭМВ. В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно. Подобно световым волнам они могут при распространении поглощаться, рассеиваться, преломляться, отражаться и интерферировать (складываться). Поглощение ЭМВ приводит к более резкому, по сравнению с формулой (3), убыванию поля с расстоянием из-за потерь. Например, сильное поглощение поверхностной волны* диапазона 80 м наблюдается при сухих почвах с низкой проводимостью. Рассеяние и отражение радиоволн происходят при наличии на их пути препятствий, размеры которых сравнимы с λ, причем рассеяние, отражение и интерференция могут приводить как к ухудшению слышимости передатчика в точке приема, так и к увеличению силы поля в этой точке. Это бывает чаще тогда, когда между передающей и приемной антеннами нет прямой видимости и волна, достигающая приемной антенны за счет огибания препятствий (дифракции), сильно ослаблена. Так как способность к дифракции понижается с повышением частоты, этот эффект особенно заметен на диапазоне 2 м. Отраженная волна, сложившись с прямой в фазе, вызывает усиление поля, а в противофазе — ослабление. Подобные явления наблюдаются и на диапазоне 10 м. В старом лесу отражение может происходить от крон и стволов деревьев.

* Поверхностной, или земной, называют радиоволну, распространяющуюся вблизи поверхности Земли и частично огибающую ее выпуклость. Пространственными называются радиоволны, отраженные от ионосферы. В «охоте на лис» полезный сигнал «лисы» — всегда поверхностная волна, однако пространственными волнами дальник станций могут создаваться помехи.

Отражения и интерференция искажают фронт волны, что приводит к ошибкам при пеленгации. Направление перпендикуляра к фронту волны, определяемое пеленгатором, может не совпадать с искомым направлением на передатчик, если фронт искажен.

Прием радиоволн. В приемной антенне, расположенной в поле ЭМВ, возникают переменная высокочастотная э.д.с. и ток. Величина э.д.с. зависит от длины провода антенны, частоты колебаний и напряженности поля. Эффективность приемных антенн оценивают величиной действующей высоты hд [м]. Зная этот параметр, можно вычислить э.д.с. еA [мкв], наводимую полем E [мкв/м] в антенне при ориентировке ее провода вдоль вектора Е:

Для короткого вертикального провода (длина l<<λ) hд~l/2; для полуволнового вибратора hд=λ/π.

В радиопеленгации используется возможность направленного приема радиоволн. Для этого применяют антенны направленного действия, у которых величина наводимой э.д.с. зависит от направления прихода волны. Основная характеристика такой антенны — диаграмма направленности. Это — кривая, определяющая зависимость относительных значений наводимой э.д.с. от угла поворота антенны относительно направления прихода волн. Диаграмму направленности обычно изображают в полярной-системе координат. Из центра-полюса под различными углами откладывают значения радиус-вектора, пропорциональные э.д.с., наведенной приходящим с данного направления полем. Затем через концы радиус-векторов проводят плавную кривую. Пример диаграммы направленности (для рамочной антенны) дан на рис. 2.