2. Общие вопросы распространения радиоволн. Основные определения

Радиоволнами условно называют электромагнитные волны в диапазоне частот от 0,001 до Гц. В переводе на длины волн нижняя граница соответствует длине волны в свободном пространстве м, а верхняя — . Последнее значение приходится уже на область инфракрасного излучения. В связи с научным прогрессом в области радиоэлектроники электромагнитные волны оптических частот можно излучать не только при помощи тепловых источников и газоразрядных приборов, но и посредством оптических квантовых генераторов (лазеров). По своим свойствам (монохроматичности и когерентности) электромагнитные волны создаваемые квантовыми приборами, вполне тождественны радиоволнам, излучаемым антеннами на более низких частотах.

Именно по этой причине в курсе распространения радиоволн рассматриваются не только радиоволны в указанных выше частотных пределах, но и электромагнитные волны оптических частот, верхняя граница которых имеет порядок Гц (0,03 мк). Некоторые авторы когерентные электромагнитные волны оптического диапазона условно называют радиоволнами оптических частот.

Следует заметить, что указанные здесь границы спектра радиоволн значительно шире тех, которые принимались до последнего времени. Со стороны низких частот до сих пор радиоволны ограничивались обычно звуковой частотой Гц. Это наиболее низкая частота, применяемая в настоящее время для радиосвязи. Исследования последних лет, однако, показали, что в природе встречаются явления, в которых участвуют радиоволны весьма низких частот, измеряемых тысячными долями герца. Такие волны, в частности, создаются при флуктуациях испускаемого Солнцем электронно-протонного потока при проникновении его в атмосферу Земли. Радиоволны весьма низких частот тесно связаны с возникающими в ионной плазме атмосферы механическими волнами, получившими название магнитогидродинамичёских волн. Радиоволны очень низких частот возникают также при разряде молний.

Ясно поэтому, что приведенная здесь величина 0,001 Гц действительно условна, ибо возможно, что по мере развития науки в будущем придется считаться с радиоволнами еще более низких частот.

Со стороны высоких частот, с учетом достижений лазерной техники, граница диапазона электромагнитных волн, применяемых в технике связи, достигает значений порядка Гц.

В России принято разбивать весь указанный выше спектр радиоволн на отдельные диапазоны; причем в основу деления положен десятичный принцип (табл. 1). Наименования отдельным диапазонам даются по длинам волн.

Наиболее длинные и наиболее короткие волны пока не получили названия. Наиболее длинные волны нами условно называются волнами звуковых и инфразвуковых частот.

Эта таблица требует некоторых пояснений. Прежде всего, волны длиннее м, т. е. радиоволны звуковых и инфразвуковых частот, в технике пока не применяются и используются только в научных исследованиях. Сокращения «икл» и «уфл» соответственно обозначают инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Диапазон от до м принято называть диапазоном оптических радиоволн.

Волны в диапазоне от 1 см до 10 м часто называют ультракороткими (УКВ). Волны сантиметрового и дециметрового диапазонов иногда называют радиоволнами сверхвысоких частот (СВЧ). Некоторые авторы пользуются термином СВЧ в качестве синонима УКВ. В американской литературе диапазон МВ и ДМВ часто назы­вают микроволнами. Этот термин следует признать неудачным.

Таблица 1

Нижняя граница		Диапазоны	Верхняя граница
f, Гц	λ, м		f, Гц	λ, м
(3 мгц)		Радиоволны инфразвуковых и звуковых частот
(3 кгц)		Сверхдлинные волны (сдв)
(30 кгц)		Длинные волны (дв)
(300 кгц)		Средние волны (св)
(3 Мгц)		Короткие волны (кв)
(30 Мгц)		Ультракороткие волны: метровые (мв) дециметровые (дмв) сантиметровые (смв) миллиметровые (ммв)
(300 Мгц)
(З Ггц)
(30 Ггц)	(1 см)
(300 Ггц)	(1 мм)	Оптические волны: инфракрасные (икл) видимый свет ультрафиолетовые (уфл)
(400 Тгц)	(0.75 мк= =7500 )
(750 Тгц)	(0.4 мк= =4000 )		(3000 Тгц)	(0.1мк =1000 )

В связи с освоением диапазона оптических радиоволн весьма удобно выражать соответствующие длины волн в микронах ( ). Для еще более коротких волн можно применять единицу ангстрем . При выражении частот радиоволн удобно пользоваться следующими производными единицами:

Следует обратить внимание на различие между обозначениями миллигерца (мГц) и мегагерца (МГц) [2].

В настоящем учебном пособии рассматривается круг вопросов, связанных с процессами свободного распространения радиоволн, причем под этим термином будем понимать распространение волн в атмосфере, вдоль поверхности Земли, в толще Земли и в космическом пространстве. Таким образом, из рассмотрения исключаются случаи распространения радиоволн, направляемых каким-либо искусственным сооружением, будь то система проводов, коаксиальная линия, волновод, световод, полосковая или однопроводная линия.

Свободно распространяющиеся (в указанном выше смысле) радиоволны находят в современной науке и технике обширные, важные и многообразные применения. Прежде всего, следует упомянуть использование радиоволн для передачи на малые и большие расстояния разного рода информации (телеграфия, телефония, фототелеграфия, телевидение), обнаружения различных объектов, определения их направления и расстояния до них (радиолокация), для управления на расстоянии механизмами и устройствами (телеуправление), определения направления на излучающую станцию и местоположения кораблей и самолетов (радионавигация), передачи на расстояние результатов измерений (радиотелеметрия) и других целей. Широкое применение свободно распространяющиеся радиоволны находят также в геофизике при изучении строения верхних слоев атмосферы, в радиоастрономии при изучении строения Солнца, планет, звезд и туманностей, находящихся как в пределах нашей Галактики, так и вне ее.

Несмотря на существенные различия в особенностях использования свободно распространяющихся волн, во всех перечисленных выше применениях имеется много общего и, прежде всего, то, что во всех случаях для передачи информации используется так называемая линия радиосвязи, или радиолиния.

В одних случаях по радиолинии осуществляется связь, в других — передаются сигналы радиолокационного наблюдения, телеуправления и т. д.

В каждой линии радиосвязи различают три составные части: передатчик, приемник и среду, в которой распространяются радиоволны. Отличие линий радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в последних в качестве связующего звена используются провода или кабель. В радиолиниях связующим элементом является природная среда, а именно, окружающая земной шар атмосфера, космическое пространство.

Рис. 10. Простейшая линия радиосвязи:

А— передатчик, В — приемник. Линия показывает путь распро­странения радиоволн

В технике применяются радиолинии трех типов.

Рис. 11. Радиорелейная линия связи:

и В — оконечные станции; — промежуточные (ретрансляционные) станции

На рис. 10 показана радиолиния простейшего типа, характеризуемая тем, что передатчик и приемник расположены по ее концам. В качестве частного примера такой линии рассмотрен случай, когда радиоволны достигают пункта приема в результате отражения от ионосферы. Очевидно, что в других случаях радиоволны могут попадать в место расположения приемника путем дифракционного огибания земного шара, рассеяния в тропосфере или иным способом. Другим примером такой линии может служить связь наземной радиостанции с космическим кораблем. К подобным же линиям можно отнести линию «звезда, создающая радиоизлучение,— радиотелескоп». Роль передатчика здесь выполняет наблюдаемая звезда.

На рис. 11 показана радиорелейная линия связи, характеризуемая тем, что передаваемая по системе связи информация попадает не непосредственно в конечный пункт, а через посредство промежуточных релейных (трансляционных) станций. Такие линии применяются в случаях, когда по каким-либо причинам невозможно непосредственно передавать информацию в конечный пункт (например, из-за большой протяженности линии связи АВ); каждый участок радиорелейной линии ( и т. д.) может при этом рассматриваться как линия простейшего типа. Заметим, что все промежуточные станции ( и т. д.) являются так называемыми активными ретрансляторами, т. е. включают в себя приемное устройство, подсоединенное ко входу передатчика. Принимаемый сигнал усиливается и излучается в направлении на соседнюю станцию обычно на несколько измененной частоте. К этому типу относятся также линии связи, использующие в качестве активного ретранслятора искусственный спутник Земли (например, спутник связи «Молния-1»).

Наконец, в технике связи и при научных исследованиях находят применение так называемые вторичные линии радиосвязи (рис. 12). Их особенность заключается в том, что излучаемый передатчиком сигнал непосредственно не попадает в пункт приема В. Сигнал, создаваемый передатчиком А, предварительно облучает искусственное или естественное тело С, которое по своим электрическим параметрам отличается от окружающей среды. Тело С создает в этих условиях вторичное излучение, которое и принимается в пункте В. Вторичное излучение на рис. условно показано пунктирными стрелками. В частном случае приемное устройство может быть расположено в том же пункте, что и передающее. Примерами вторичных линий радиосвязи могут служить линии связи, использующие эффект рассеяния радиоволн в тропосфере, ионосфере, на метеорных ионизированных следах, от Луны или от пассивных искусственных спутников Земли.

Рис. 12. Вторичная радиолиния: А — передатчик, В — приемник, С - облучаемый объект

В первых четырех случаях роль рассеивающего тела выполняют естественные тела или элементы природы; в пятом случае — искусственный спутник Земли, созданный руками человека. Примерами вторичных линий с совмещенным расположением передатчика и приемника могут служить радиолокационная станция (роль тела С выполняет обнаруживаемый объект) и ионосферная станция вертикального зондирования (роль тела С выполняет отражающая область ионосферы).