Содержание
Антенны
Угловой рефлектор ДМВ-ТВ антенна 1950-х годов
Длина антенны зависит от длины используемых радиоволн. Благодаря короткой длине волны антенны УВЧ получаются короткими и короткими; на частотах УВЧ — четвертьволновый монополь , наиболее распространенная всенаправленная антенна имеет длину от 2,5 до 25 см. Длины волн УВЧ достаточно короткие, чтобы эффективные передающие антенны были достаточно малы для установки на карманные и мобильные устройства, поэтому эти частоты используются для систем двусторонней наземной мобильной радиосвязи , таких как рации , двусторонние радиостанции в транспортных средствах и для портативных беспроводных устройств. устройства ; беспроводные и сотовые телефоны . Всенаправленные УВЧ-антенны, используемые на мобильных устройствах, обычно представляют собой короткие штыри , диполи , резиновые антенны или плоскую перевернутую F-антенну (PIFA), используемую в мобильных телефонах. Более высокий коэффициент усиления всенаправленной антенны СВЧ могут быть изготовлены из коллинеарных массивов из диполей и используются для мобильных базовых станций и сотовых антенн базовых станций .
Короткие длины волн также позволяют антеннам с высоким коэффициентом усиления быть компактными. Антенны с высоким коэффициентом усиления для двухточечных каналов связи и приема телевидения в диапазоне УВЧ обычно представляют собой Яги , логопериодические , угловые рефлекторы или рефлекторные антенные решетки . На верхнем конце диапазона становятся практичными щелевые антенны и параболические тарелки . Для спутниковой связи используются спиральные антенны и антенны турникета , поскольку спутники обычно используют круговую поляризацию, которая не чувствительна к относительной ориентации передающей и приемной антенн. Для телевещания используются специализированные вертикальные излучатели, которые в большинстве своем представляют собой модификации щелевой антенны или отражательной антенной решетки : щелевые цилиндрические, зигзагообразные и панельные антенны.
Как сильно ошибался Герц
Впоследствии из электромагнитных колебаний выделили диапазон радиоволн, который используется для передачи радиосигналов. Представить современный мир без него очень сложно. И это не удивительно, ведь они открыли широкие возможности для нас. Во время практических опытов было установлено, что распространение в вакууме идет со скоростью, равной свету. Вот только необходимо различать их длину (частоту). Следует отметить, что четкой границы не существует. Одна разновидность электромагнитных волн может плавно перетекать в другую. Простейшая классификация различает гамма-, рентгеновское, инфракрасное излучение, видимый свет и радиоволны. Вот последние и представляют наибольший интерес. На сегодняшний день выделяют многочисленный и разнообразный диапазон длин радиоволн. Согласно международным соглашениям весь их спектр разбили на такие группы: децимиллиметровые, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, декаметровые, гектометровые, километровые и мириаметровые. Давайте же разберемся, что все-таки собой представляет каждый конкретный диапазон частот радиоволн.
Частота электромагнитного излучения (радиоволны)
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитного излучения 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 электромагнитного излучения 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. Это основная единица измерения для данного явления, (аналогично, например, децибелу — единице уровней, затуханий и усилений). Электромагнитные волны, частота электромагнитного излучения которых условно ограничены 3000 ГГц, распространяются в пространстве без искусственного волновода. Нижняя граница радиоволн – 3 кГц – условная, установлена международными соглашениями. По длине волны диапазон радиоволн подразделяют на: мириаметровые (3—30 кГц), километровые (30—300 кГц), гектометровые (300—3000 кГц), декаметровые (3—30 МГц) и метровые (30—300 МГц), дециметровые (300—3000 МГц), сантиметровые (3—30 ГГц), миллиметровые (30—300 ГГц), децимиллиметровые (300—3000 ГГц).
Длина радиоволны
Длина радиоволны – это расстояние между двумя соседними максимально высокими или максимально низкими точками, расстояние, которое проходит волна за один период – за время одного колебания. Таким образом, длина радиоволны представляет собой расстояние между двумя соседними «возвышениями» или «впадинами» волны. Частота и длина радиоволны обратно пропорциональны друг другу. Поэтому, зная частоту и скорость распространения радиоволн, можно определить искомую величину. Длина радиоволны равна скорости распространения, поделенной на частоту. Как уже было описано, с увеличением частоты длина радиоволны уменьшается, с уменьшением – увеличивается
Знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Энергия, которую несут радиоволны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него
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.
Классификация по способу распространения
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 меньше длина волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине волны диапазона УВЧ и более высокочастотных диапазонов очень слабо дифрагируют на 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).
Пределы
На частотных границах спектра радиочастот являются предметом конвенции в физике и несколько произвольны. Поскольку радиоволны относятся к категории электромагнитных волн с самой низкой частотой , нижнего предела частоты радиоволн не существует. На высокочастотном конце радиоспектр ограничен инфракрасным диапазоном. Граница между радиоволнами и инфракрасными волнами определяется на разных частотах в разных областях науки. Терагерцовый диапазон , от 300 гигагерц до 3 ТГц, может рассматриваться либо как микроволны или инфракрасные. Это самый высокий диапазон, классифицируемый Международным союзом электросвязи как радиоволны , но ученые-спектроскописты считают эти частоты частью дальнего инфракрасного диапазона.
В практических пределах радиочастотного спектра, частоты , которые полезны практически для радиосвязи , определяются технологическими ограничениями , которые вряд ли будет преодолено. Таким образом, хотя радиочастотный спектр становится все более перегруженным, существует небольшая перспектива появления дополнительной полосы частот, помимо той, которая используется в настоящее время.
Самые низкие частоты, используемые для радиосвязи, ограничены увеличением размера необходимых передающих антенн . Размер антенны, необходимой для эффективного излучения радиосигнала, увеличивается пропорционально длине волны или обратно пропорционально частоте. Ниже 10 кГц (длина волны 30 км) требуются приподнятые проволочные антенны диаметром в несколько километров, поэтому очень немногие радиосистемы используют частоты ниже этой. Второй предел — это уменьшающаяся полоса пропускания, доступная на низких частотах, что ограничивает скорость передачи данных. Ниже 30 кГц модуляция звука непрактична, и используется только передача данных с низкой скоростью передачи данных. Самые низкие частоты, которые использовались для радиосвязи, составляют около 80 Гц в системах связи подводных лодок ELF , построенных военно-морскими силами нескольких стран для связи со своими подводными лодками на глубине сотен метров под водой. В них используются огромные наземные дипольные антенны длиной 20–60 км, возбуждаемые мегаваттами мощности передатчика, и передаются данные с чрезвычайно низкой скоростью около 1 бит в минуту (17 , или около 5 минут на символ).
Самые высокие частоты, используемые для радиосвязи, ограничены поглощением микроволновой энергии атмосферой. По мере увеличения частоты выше 30 ГГц (начало диапазона миллиметровых волн ) атмосферные газы поглощают все большее количество энергии, поэтому мощность луча радиоволн экспоненциально уменьшается с расстоянием от передающей антенны. На частоте 30 ГГц полезная связь ограничена примерно 1 км, но с увеличением частоты диапазон, на котором могут приниматься волны, уменьшается. В терагерцовом диапазоне выше 300 ГГц радиоволны ослабляются до нуля в пределах нескольких метров, поэтому атмосфера практически непрозрачна.
История (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Существует теория о том, что радиоволны возникли в момент большого взрыва. И хотя магнитные волны были всегда, человечество открыло их для себя сравнительно недавно. В 1868 году шотландец Джеймс Максвелл в своей работе описал их. Затем немецкий физик Генрих Герц доказал в теории их существование. Это произошло в 1887 году. С тех пор интерес к магнитным волнам не иссякает. Исследования радиоволн ведутся во многих ведущих институтах мира.
Сферы применения радиоволн обширны — это и радио, и средства радиолокации, телевидение, телескопы, радары, микроволновые печи и всевозможные беспроводные средства связи. Широко используют их и в косметологии. Интернет, телевидение и телефония — все современные коммуникации, невозможны без магнитных волн.
В поисках радиоволн
Направляя радиотелескоп на какой-либо космический объект, радиоволны попадают на поверхность инструмента, которая является своего рода зеркалом для радиоволн и может быть металлической с отверстиями внутри (сетка), или из сплошного металла, например алюминия.
Данные, собранные новейшими радиотелескопами, уже позволили астрономам создать наиболее полный на сегодняшний день каталог радиовсплесков. Напомню, что быстрые радиовсплески (FRBS) – это очень короткие, но интенсивные импульсы радиоволн, регистрируемые в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Длятся эти импульсы всего несколько миллисекунд, а затем бесследно исчезают.
Впервые быстрые радиовсплекси были в 2007 году и до сих пор остаются загадкой для научного сообщества.
Вред микроволнового излучения
В документах на любой электронный прибор, который способен излучать СВЧ-волны упоминается так называемый SAR.
SAR – это удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии. Простым языком – это мощность излучения, которая поглощается живыми тканями тела. Измеряется SAR в ваттах на килограмм.
Так вот, для США определён допустимый уровень в 1,6 Вт/кг. Для Европы он чуть больше. Для головы 2 Вт/кг, для остальных частей тела и вовсе 4 Вт/кг.
В России действуют более строгие ограничения, а допустимое излучение меряется уже в Вт/см2. Норма составляет 10 мкВт/см2.
Несмотря на то, что СВЧ излучение принято считать неионизирующим, стоит отметить, что оно в любом случае оказывает влияние на любые живые организмы. Например, в книге «Мозг в электромагнитных полях» (Ю.
А. Холодов) приводятся результаты множества экспериментов, а также тернистая история внедрения норм на облучение электромагнитными полями. Результаты весьма любопытны. Микроволновое излучение влияет на многие процессы, протекающие в живых организмах. Если интересно, почитайте.
Из всего этого следует несколько простых правил.
Как можно меньше болтать по мобильному телефону. Держать его подальше от головы и важных частей тела. Не спать со смартфоном в обнимку.
По возможности использовать гарнитуру. Держаться подальше от базовых станций сотовой связи (речь идёт о жилых и рабочих помещениях). Не секрет, что антенны подвижной связи ставят на крышах жилых домов.
Также стоит «швырнуть камень в огород» мобильного интернета при использовании смартфона или планшета.
Если вы «сидите в интернете», то устройство постоянно передаёт данные базовой станции. Даже если излучение по мощности небольшое (всё зависит от качества связи, помех и удалённости базовой станции), то при длительном использовании негативный эффект обеспечен.
Нет, вы не облысеете и не начнёте светиться. В мозгу нет болевых рецепторов. Поэтому он будет устранять «проблемы» по «мере сил и возможностей». Просто будет сложнее сконцентрироваться, усилится усталость и пр.
Это как пить яд малыми дозами.
Как они могут огибать препятствия?
Это очень интересное свойство, которым обладают радиоволны. Диапазон волн здесь играет важную роль. Когда излучение распространяется, со временем оно встречает определенное препятствие. Волна может его обогнуть. Но исключительно в тех случаях, если объект обладает меньшим размером, нежели длина волны (на худой конец они сравнимы). Рассмотрим пример с самолетом. Чтобы его засечь, радиоволна локатора не должна превышать геометрический размер летательного устройства (то есть быть меньше 10 метров). Если тело превышает его, то оно может отразить волну. Но не факт. Здесь можно вспомнить о проекте «Стелс» (невидимка).
Приёмники инфразвука. (Часть третья)
Опубликовано: 05.12.2018
Объёмно-наскальные инфразвуковые информационные приёмники. Объёмно наскальные приёмники в отличие от объёмно камертонных приёмников, обычно строятся на поверхности земли. Они не имеют дромоса(подземной антенны). Роль антенны выполняет неоднородность среды распространения инфразвука разлом, хребет, гора, река. Направление неоднородности должно располагаться под углом 20-60° к источнику инфразвука. То есть построить такой приёмник возможно только в местах, где инфразвуковые волны от источника сигнала как-то концентрируются. Примером псевдокупольных приёмников на геологическом разломе являются тумулусы этрусков вблизи г.Червети в Италии. Здесь множество приёмников вытянулось линией в направлении геологического разлома. Основной задачей для постройки объёмно Читать дальше …
дальнейшее чтение
- Boithais, Люсьен (1987). Распространение радиоволн . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Книжная компания Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-006433-4.
- Роуэр, Карл (1993). Распространение волн в ионосфере . Дордрехт, Нидерланды: Kluwer Acad. Publ. ISBN 0-7923-0775-5.
- Покок, Эмиль (2010). «Распространение радиосигналов». В Сильвере, Х. Уорд и Уилсон, Марк Дж. (Ред.). Справочник ARRL по радиосвязи (88-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиорелейная лига. Глава 19. ISBN 0-87259-095-X.
- Гасеми, Адболла; Абеди, Али; и Гасеми, Фаршид (2016). Техника распространения в беспроводной связи (2-е изд.). ISBN 978-3-319-32783-9.
2.8. Молекулярное мазерное излучение
При сильном отклонении от
термодинамического равновесия возможно нарушение больцмановского распределения
по уровням. Может реализоваться случай инверсии населенностей, когда
температура возбуждения Tx некоторого перехода
становится отрицательной. Это соответствует избытку населенности
(«инверсии населенностей») верхнего уровня u
относительно нижнего уровня l по сравнению с формулой
Больцмана. Степень инверсии населенностей характеризуется величиной
.(2.54)
Инверсия
может создаваться при помощи некоторого механизма накачки (излучением или
столкновениями с частицами окружающего газа). При прохождении фонового
радиоизлучения на частоте перехода nul возникает лавина
вынужденных переходов u→l, и
излучение многократно усиливается. Имеетместомазерныйэффект (maser –
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Условия,
благоприятные для накачки молекул OH, H2O и некоторых других, существуют
в областях звездообразования, вблизи молодых звездных объектов, а также в
газопылевых оболочках звезд на поздней стадии эволюции – красных гигантов и
сверхгигантов (§§ , ).
Уравнения, описывающие
перенос мазерного излучения в одномерном случае (в общем случае зависящие от
времени):
(2.55)
член с A учитывает влияние спонтанных
переходов (в мазере им обычно пренебрегают, так как основная роль принадлежит
вынужденным переходам), P – мощность накачки (количество
молекул, накачанных на верхний уровень u в 1 см3 за 1
с), I, Dn, P – функции
x и t, an –
коэффициент усиления мазера; второе уравнение
отражает конкуренцию двух процессов: уменьшения Dnв результате
вынужденных переходов сверху вниз и его увеличения за счет накачки. В
стационарном случае производные по времени обращаются в ноль. Имеются два
предельных решения:
а) ненасыщенный мазер
(скорость накачки велика и превышает скорость вынужденных переходов):
(2.56)
–
коэффициент мазерного усиления, Aul –
вероятность спонтанного перехода ul, dn– ширина мазерной линии; нарастание
интенсивности с расстоянием происходит экспоненциально;
б) насыщенный мазер
(скорость вынужденных переходов превосходит частоту актов накачки, то есть
практически вся мощность накачки используется для мазерного усиления):
,(2.57)
где Sp – скорость накачки (в
расчете на одну молекулу за одну секунду), B – эйнштейновский
коэффициент вынужденного перехода (2.39), W – телесный угол, в котором
распространяется мазерное излучение; интенсивность растет линейно в зависимости
от расстояния.
В космических источниках
чаще реализуется случай насыщенного мазера: при значительном росте
интенсивности условие случая (б) достигается очень быстро, и мазер переходит из
ненасыщенного режима в насыщенный.
Для накачки мазера и
создания инверсии населенностей некоторого перехода необходимы неравновесные
условия (например, облучение анизотропным потоком радиации с непланковским
спектром, различие температур газа и поля излучения и т.д.). Механизмы накачки
делятся на радиативные (возбуждение излучением) и 
столкновительные (возбуждение столкновениями
с частицами окружающего газа). В цикле накачки, помимо «сигнальных» уровней перехода ul,
участвуют другие, обозначенные p на
рис. 2.7. В случае, когда уровень lпредставляет собой основное состояние молекулы (пример – линии OHl = 18 см),
мазер можно считать трехуровневым; в других случаях в накачке участвуют как
вышележащие, так и нижележащие уровни. Реально p могут представлять собой целые группы уровней.
Известны источники
мазерного радиоизлучения (в линиях молекул OH, H2O, CH3OH, SiO и H2CO) в областях
звездообразования, в окрестностях молодых звездных объектов, и в газопылевых
оболочках звезд поздних спектральных классов – красных гигантов и сверхгигантов
(в линиях OH, H2O, SiO и HCN). Особенно сильные мазеры OH, H2O и H2CO («мегамазеры») обнаружены в
некоторых активных галактиках ().
Приёмники инфразвука. (часть первая)
Опубликовано: 11.10.2018
Для приёма инфразвуковой энергии использовались различные сооружения и устройства, которые мы назовём инфразвуковые приёмники. Их очень много и они очень разнообразны, что говорит о широком использовании инфразвуковых технологий в эпоху пирамид. На сегодня известно не менее 100 000 инфразвуковых стационарных приёмников во всём мире. Многие из них сохранились в работоспособном состояние или могут быть восстановлены. Далее я опишу основные типы инфразвуковых приёмников и представлю их классификацию. Инфразвуковые волновые приёмники состоят из: —Антенны (устройство для эффективной передачи энергии на заданной частоте из одной физической среды в другую). —Согласующего устройства (уравниватель скорости переноса энергетического Читать дальше …
Распространение радиоволн
Радиоволны разной длины распространяются в пространстве не одинаково.
Сверхдлинные волны (длина волны от 10 км и более) легко огибают большие препятствия вблизи поверхности Земли и очень слабо поглощаются ею, поэтому энергии они теряют меньше других радиоволн. Следовательно, затухают они также гораздо медленнее. Поэтому в пространстве такие волны распространяются на расстояния до нескольких тысяч километров. Глубина их проникновения в среду очень велика, и их используют для связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине, а также для различных исследований в геологии, археологии и инженерном деле. Способность сверхдлинных волн легко огибать Землю позволяет исследовать с их помощью земную атмосферу.
Длинные, или километровые, волны (от 1 км до 10 км, частота 300 кГц – 30 кГц) также подвергаются дифракции, поэтому способны распространяться на расстояния до 2 000 км.
Средние, или гектометровые, волны (от 100 м до 1 км, частота 3000 кГц – 300 кГц) хуже огибают препятствия на поверхности Земли, сильнее поглощаются, поэтому гораздо быстрее затухают. Они распространяются на расстояния до 1 000 км.
Короткие волны ведут себя иначе. Если мы настроим автомобильный радиоприёмник в городе на короткую радиоволну и начнём двигаться, то по мере удаления от города приём радиосигнала будет всё хуже, а на расстоянии примерно 250 км он прекратится совсем. Однако спустя некоторое время радиотрансляция возобновится. Почему так происходит?
Всё дело в том, что радиоволны короткого диапазона (от 10 м до 100 м, частота 30 МГц – 3 МГц) у поверхности Земли затухают очень быстро. Однако волны, уходящие под большим углом к горизонту, отражаются от верхнего слоя атмосферы – ионосферы, и возвращаются обратно, оставляя позади себя сотни километров «мертвой зоны». Далее эти волны отражаются уже от земной поверхности и снова направляются к ионосфере. Многократно отражаясь, они способны несколько раз обогнуть земной шар. Чем короче волна, тем больше угол отражения от ионосферы. Но ночью ионосфера теряет отражательную способность, поэтому в тёмное время суток связь на коротких волнах хуже.
А ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые с длиной волны короче 10 м), не могут отражаться от ионосферы. Распространяясь прямолинейно, они пронизывают её и уходят выше. Это их свойство используют для определения координат воздушных объектов: самолётов, стай птиц, уровня и плотности облаков и др. Но и огибать земную поверхность ультракороткие волны тоже не могут. Из-за того что они распространяются в пределах прямой видимости, их применяют для радиосвязи на расстоянии 150 – 300 км.
По своим свойствам ультракороткие волны близки к световым волнам. Но световые волны можно собрать в пучок и направить его в нужное место. Так устроены прожектор и фонарик. Точно так же поступают и с ультракороткими волнами
Их собирают специальными зеркалами-антеннами и узкий пучок посылают в нужном направлении, что особенно важно, например, в радиолокации или спутниковой связи
Миллиметровые волны (от 1 см до 1 мм), самые короткие волны радиодиапазона, схожи с ультракороткими волнами. Они также распространяются прямолинейно. Но серьёзной помехой для них являются атмосферные осадки, туман, облака. Кроме радиоастрономии, высокоскоростной радиорелейной связи они нашли применение в СВЧ технике, используемой в медицине и в быту.
Субмиллиметровые, или децимиллиметровые, волны (от 1 мм до 0,1 мм) по международной классификации также относятся к радиоволнам. В природных условиях они почти не существуют. В энергии спектра Солнца занимают ничтожно малую долю. Поверхности Земли не достигают, так как поглощаются парами воды и молекулами кислорода, находящимися в атмосфере. Созданные искусственными источниками, применяются в космической связи, для исследования атмосфер Земли и других планет. Высокая степень безопасности этих волн для организма человека позволяет применять их в медицине для сканирования органов.
Субмиллиметровые волны называют «волнами будущего». Вполне возможно, что они дадут учёным возможность изучать строение молекул веществ совершенно новым способом, а в будущем, может быть, даже позволят управлять молекулярными процессами.
Как видим, каждый диапазон радиоволн применяется там, где особенности его распространения используются с максимальной пользой.
- < Prev
- Next >
