Теория радиоволн: ликбез

    image

    Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
    Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
    Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.

    Радиоволна


    image

    Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
    Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
    Период(T) — время одного полного колебательного движения
    Частота(v) — количество полных периодов в секунду

    Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте:
    image
    Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)

    «УКВ», «ДВ», «СВ»

    Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
    Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
    Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.

    Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м).
    image
    Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.

    Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м).
    image
    Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.

    Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).
    image
    Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.

    Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).
    image
    Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
    Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
    image
    Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.

    Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
    Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
    Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
    Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.

    Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
    Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.

    AM — FM

    Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:

    AM — амплитудная модуляция

    image
    Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
    АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.

    FM — частотная модуляция
    image
    Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
    Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.

    На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.

    Еще термины

    Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
    Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала.
    image
    Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».

    Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
    Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
    Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.

    PS:

    Надеюсь, информация описанная мной будет полезна и принесет некоторое понимание по данной теме.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 79

      +10
      Тема выбрана интересная, но хотелось бы еще узнать, почему длина волны так влияет на проникающую способность и способность огибать препядствия. Ну и еще про очень низкие частоты в радоисвязи можно было упомянуть (те которые используются для связи с подводными лодками).
        +28
        Я просто оставлю это здесь. Не все объясняет, но делает кое-что наглядным.
        image
          +5
          это дисперсия, ее в статье не описывал.
            +4
            У дифракции, есть общее свойство с дисперсией, они разлагают волны в спектр, правда немного по разному.

            image
              +2
              У дифракции больше общего скорее с интерференцией, чем с дисперсией именно по сути явления
              А вот по внешним признакам что-то общее есть
                0
                а дальше желающие пройдут в поиск, читать о принципе гюйгенса-френеля =)
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              +3
              Гипнотизирует.
                +3
                Pink Floyd?

                P.S. Эта картинка загрузила процессор моего нетбука на 100%
                  0
                  Интересная штука выходит. Если верить этой гифке, то скорость волн получается разной, тобишь скорость света не очень-то постоянная.

                  А ещё мне захотелось снова послушать Пинк Флойд.
                    +5
                    скорость света отличается в различных средах
                      +3
                      Постоянная — это скорость света в вакууме.
                        0
                        К слову, что-то может двигаться быстрее скорости света. Эффект Вавилова — Черенкова.
                          0
                          Ключевое слово Фазовая скорость в Энштейне имеется ввиду передача информации и/или энергии — а это есть групповая скорость пруф.
                            0
                            Нет. Ключевое слово здесь — в среде. В среде свет движется медленнее, чем в вакууме.
                        –5
                        Я просто оставлю это здесь.
                        0
                        согласен, СДВ добавил, остальное — для более расширенного рассмотрения.
                          +4
                          О проникающей способности — диэлектрики начинают поглощать радиоволны высокой частоты из-за их «неидеальности», и потому даже деревья становятся непрозрачными для частот выше пары ГГц (это особенно чувствуют любители полетать на самолетах с передачей видео на 5.8Ггц). Опять же, вода и водяной пар в воздухе нагревается радиоволнами высоких частот (как в микроволновке, там излучение 2.4Ггц)

                          Об огибании — это упрощенный термин, волны в любом случае рассеиваются на любых препятствиях, но когда препятствия существенно меньше, чем длина волны — рассеивание практически отсутствует, и сигнал идет дальше как будто ничего и не было. Например — волны в реке. Вертикально-воткнутая ветка видимого влияния не оказывает, а вот метровый камень — влияет.

                            0
                            Спасибо за объяснения, теперь на бытовом уровне более-менее понятно, почему это так =)
                          +13
                          Нашел тут в статье веселую картинку…
                          image

                          Почему веселую? Потому что на ней буквой лямбда обозначен период колебаний вместо длины волны. Для того, чтобы получилась длина волны, нужно вместо оси времени взять ось, вдоль которой волна распространяется.
                            –1
                            Лямдой показана именно длина волны.период в нижнем левом углу.
                              +5
                              Длина волны стала измеряться в секундах?
                                –3
                                а почему бы и нет, ведь скорость света константа. В общем то тут периоды показаны. Периодхскоростьсвета=длиннаволны
                                  +20
                                  Вам два по физике, это работает только в вакууме. Поэтому длина волны измеряется в метрах
                                    –2
                                    Для сред тоже константа с коффицентом. От времени не меняется.
                                      +6
                                      Это не имеет значения. Длина волны — это свойство волны не зависающее от внешних условий. Если меришь ее в секундах то длина волны будет зависеть от среды.
                                        –3
                                        Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

                                        Длинна волны тоже может меняться
                                          +2
                                          Дык, регистрируемых приёмником же. Для стороннего наблюдателя длина волны остаётся неизменной.
                                          И потом, это никоим образом не отменяет того, что длина изменяется в единицах длины (метрах, например), но не единицах времени (секундах, например).
                                            –1
                                            Мне кажется, мы все-таки спорим о том, зеленый ли крокодил или он летит вправо…

                                            ЗЫ не минусовал.
                                              +11
                                              Нет. Это то же самое что расстояние до магазина мерить в часах.
                                              Физику с ног на голову переворачивать не стоит.
                                                –6
                                                Нет. Это тоже самое, что измерять расстояние до магазина в ярдах: неудобно, не принято, но абсолютно корректно. В данном случае, для расчётов в физике элементарных частиц часто бывает удобно принять c за 1.

                                                Не уподобляйтесь воинствующим клерикалам.
                                                  +2
                                                  С тем же успехом в секундах и массу можно мерить. Можно же перечитать с помощью константы например за сколько времени упадет тело с высоты 100 метров в вакууме. Лучше уж быть клерикалом
                                                    –3
                                                    Массу можно измерять в секундах, что не отменяет бредовости ваших аргументов. Если приравнять c и G к 1, то масса измеряется в секундах; если приравнять c и h к 1, то масса измеряется в секундах^-1. Если же все 3 фундаментальные константы приравнять к 1, массу можно считать безразмерной относительно планковской массы.

                                                    Будьте кем хотите, и верьте во что хотите, но, пожалуйста, не пропагандируйте невежество.
                                                      0
                                                      Я правильно понял, что фраза «приравнять к единице» на самом деле означает «считать безразмерной»?
                                                        0
                                                        Считать безразмерной единицей — иначе всё равно придётся таскать константу при расчётах.
                                                    +1
                                                    Измерять длину волны с секундах можно, что, однако, не делает возможным отождествлять ее со временем.
                                                    +2
                                                    Жители США смотрят на ваш комментарий с недоумением.
                                                      +4
                                                      Нет. Это то же самое что расстояние до магазина мерить в часах.

                                                      Абстрагируясь от спора, но расстояние до магазина вполне измеряют в часах)))
                                                      — А магазин твой далеко?
                                                      — Да фигня! 5 минут!

                                                        0
                                                        СГС же
                                                    +3
                                                    Эффект Допплера меняет частоту. Длина волны меняется как следствие.

                                                    При переходе от одной среды к другой волна частоту не меняет. Вот длина волны меняется, т.к. скорость волн в разных средах разная.
                                      +3
                                      Расскажите, пожалуйста, ещё про такое явление, как «пробой». Связано оно, как говорят радиолюбители, с изменением магнитных свойств ионосферы. И это явление помогает им ловить на территориях приёма экзотические радиостанции, причём, иногда даже в УКВ-диапазонах. Всегда интересовала «химия» этого процесса. Спасибо!
                                        +4
                                        Думаю, если будет интерес к данной теме, можно продолжить расширять кругозор. Тема на самом деле очень интересная, ее преподают на протяжении трёх лет в профильных ВУЗах, я описал лишь некоторые интересные моменты.
                                          +2
                                          интерес есть не малый
                                            +1
                                            В двух словах, изменения структуры и распределения полей в ионосфере позволяет ловить сигнал отраженный от ионосферы. В таком случае Земля и ионосфера играют роль большего волновода. Теоретически можно поймать сигнал с другой стороны Земли (тобишь для нас это США).
                                            Во времена СССР в журналах для радиолюбителей даже печатались карты и расписание состояния ионосферы, что позволяло связываться радиолюбителям с разных континентов.
                                        +2
                                        habrahabr.ru/post/127235/ еще на тему
                                          +1
                                          Эх, в детстве Голос Америки слушал на КВ… На прием КВ очень сильно влияют электрические цепи — включаешь-выключаешь приборы, всегда помехи идут.
                                            0
                                            Из бытовых приборов на КВ очень сильно мешают диммеры для ламп освещения — при включенной люстре приемник одни помехи принимает.
                                              0
                                              я полагаю влияют ШИМ диммеры
                                            0
                                            это эл контакт вызывает кучу побочных гармоник, в том числе в на частоте КВ, как во время грозы
                                              +1
                                              Так точно. Искра она же молния — это короткий импульс в электро сети — дельта импульс. Если посмотреть на его спектральные характеристики то увидим константную прямую параллельную оси частот.
                                              На практике для такого нужен ну очень короткий импульс — бесконечно коротки, посему спектр искры тяготеет к функции типа sin(x)/x, которая затухает с ростом частоты и это затухание напрямую связанно с длительностью импульса.
                                              Общий закон таков — чем короче импульс, тем больше влияния он окажет на высоких частотах. По этому на КВ влияет все. На ДВ энергия сигнала настолько высока, что помеха не чувствуется, а на ВЧ уже помеха недостаточно мощна.
                                              +29
                                              Держите матан!
                                              Кто-бы мог подумать, что лет 50 назад лекции были лучше чем сейчас!

                                                +14
                                                По моим наблюдениям, лекции по техническим предметам сейчас хуже, чем 50 лет назад в основном на территории бывшего СССР.
                                                  +1
                                                  Шикарная лекция :) Не то что сейчашние видюшки от чип и дипа
                                                    0
                                                    Голос и манера диктора очень похожи на закадровый голос в мультике про Бармалейкина.
                                                    Хотя, кажется, всё же не он. Но очень похож. Он там классно создает такой ореол «взрослой» науки.
                                                    .
                                                      +2
                                                      А еще была просто шикарнейшая книга Е.Айсберга «Радио? Это очень просто!»
                                                      mirknig.com/2009/07/24/radio-yeto-ochen-prosto.html
                                                        +1
                                                        Ужасная лекция. Простые вещи по началу разжёваны, дальше начинается мешанина неопределяемых в лекции терминов без объяснений.

                                                        Но инфографика симпатичная.
                                                        0
                                                        Несколько напрягает первая схема в статье, она скорее имеет отношение к механическим колебаниям
                                                        Векторы же напряжённости электрического и магнитного полей, а так же вектор скорости ЭМ-волны лежат в трёх разных плоскостях и образуют правую тройку векторов, т.е. они перпендикулярны и двумерного изображения явно недостаточно, чтобы описать суть этих волн
                                                          0
                                                          Да, но если ограничиться только одним из полей, то все прекрасно помещается в плоскость. А вообще, на схеме приведено несколько некорректное определение базовых понятий.
                                                            +1
                                                            Так в следущей статье предлагаю раскрыть понятия типа Side Band
                                                          0
                                                          Где можно подробно почитать о видах и свойствах волн? В чем разница между электромагнитными, акустическими, сейсмическими, тепловыми, гравитационными и так далее. Какова природа тех или иных волн, что именно колеблется? Можно ли ставить в один ряд с ультрафиолетовым излучением и инфракрасным — акустическое? Или они относятся к разным видам волн, тогда в чем суть их отличия? В общем нужно пособие на подобии «О волнах для Чайников».
                                                            0
                                                            Электромагнитные волны — колебания напряжённости электрического и магнитного полей
                                                            Акустические — колебания среды, создающие давление, принадлежащие диапазону слухового давления
                                                            Сейсмические — по сути, механические колебания пород
                                                            Тепловые — формально говоря, таких нет. Есть инфракрасные — они воспринимаются человеком как тепло. И они частный случай электромагнитных волн
                                                            >Можно ли ставить в один ряд с ультрафиолетовым излучением и инфракрасным — акустическое?
                                                            Смотря по каким параметрам. Частоты там на несколько порядков разные, природа колебаний — тоже. Вопрос довольно расплывчатый
                                                            На остальные вопросы вроде вскользь ответил
                                                            +4
                                                            > Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
                                                            км/с. иначе не сходится размерность ;)
                                                              0
                                                              Уж лучше в системе СИ:
                                                              Длинна волны (м)
                                                              Скорость волны (м/с)
                                                              Частота (Гц)
                                                                +1
                                                                Меня поражают люди (притом не Вы уже здесь первый), которые, даже отвечая на комментарий, в котором написано «длина», не дрогнув, пишут «длинна». Да как у вас код компилится при таком подходе?

                                                                Я бы не придирался, но эта нелепая «длинна» повторяется так часто, что производит впечатление некой общей проблемы.
                                                                  –2
                                                                  проблеммы.
                                                              +3
                                                              Что интересно, у таблицы длины волн есть шокирующее продолжение…

                                                              В статье остановились на миллиметровых волнах, далее — микрометровые (инфракрасное излучение и Терагерцевое излучение), и затем — видимый свет (длина волны 0.4-0.7 микрометра)
                                                                0
                                                                А про терагерцевые частоты?
                                                                  0
                                                                  Про тера герцовые — домашнее задание) Да, маловата статья, про рентген про про свет тоже не рассказано.

                                                                  Загадка которая меня мучает. Если есть передатчик и приемник. При условии что я размещу бесконечное количество приемников — я смогу поглотить радиоволну?
                                                                  Опс.
                                                                    0
                                                                    а что на рентгене останавливаться? даёшь гамма-излучение :)
                                                                      +1
                                                                      Поток мощности от передатчика существует во всех направлениях. В каких-то интенсивнее, в каких-то слабее, в зависимости от диаграммы направленности антенны.

                                                                      Вероятно, вы предполагаете разместить антенны в ряд. Если бы не было дифракции, а приемные антенны были бы абсолютно непрозрачны в радиодиапазоне, то первая антенна вырезала себе сектор телесного угла из потока мощности. За ней бы образовалась тень, как за пластиной солнечной батареи, только в радиодиапазоне.

                                                                      Но в реальности всё не так просто, и внеся антенну в поле, вы поменяете всю его картинку. Тем не менее, законы сохранения будут работать — интеграл по потоку мощности по всем направлениям снизится на ту величину, которую вы собрали своей приемной антенной.
                                                                        0
                                                                        Значит ли это, что хорошенько поглотив волну приёмником слева от ненаправленного излучателя, я могу сильно обделить приёмник справа от него?
                                                                          0
                                                                          Зависит от расстояния до антенны. Если расстояние порядка длины волны и менее, то ответ положительный.

                                                                          Немного отличающийся от вашей постановки, но очень наглядный пример — параболическая антенна. Расположение тарелки с одной стороны от слабонаправленного излучателя приводит к изменению в корне распределения потока мощности. Но в этом случае вторая антенна (тарелка) отражает сигнал, а не поглощает. В итоге в противоположном направлении получаем усиление, а не ослабление.

                                                                          Ослабление получают в антеннах мобильных телефонов, дабы уменьшить поток в сторону головы пользователя.

                                                                          Но суть эффекта тут скорее не в том, что мы внесли «черную дыру», которая ворует энергию. Просто внесение в ближнюю зону антенны чего угодно дополнительного меняет саму антенну, что в итоге изменяет и её диаграмму направленности.
                                                                    0
                                                                    Вот ещё б диполь Герца работал в полупроводящей среде как рассказано в теории — вообще была б сия теория непобедима… Но реальность требует поправок, что не отменяет необходимость знания хотя бы такой теории.
                                                                    Без теории нам смерть. (С)
                                                                      0
                                                                      первая картинка отличная, дальше можно не читать. Инфографика в полной мере.
                                                                        +1
                                                                        На счет модуляций — не совсем корректны:
                                                                        1. АМ — то что вы нарисовали — это скорее балансная АМ (БАМ). На практике же применяется АМ с глубиной модуляции около 30% (отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде несущей)
                                                                        2. ЧМ — тот же принцип, частота несущей меняется в очень небольших приделах (инжинерно частота несущей 3-5 раз превышает максимальную частоту сигнала, а лучше 10 раз) иначе сигнал будет либо сильно широкополосный (сложности приема) либо выродится в биения (еще большие сложности)
                                                                        3. Забыли упомянуть ФМ (не путать с FM) фазовая модуляция. В аналоге это подвид частотной модуляции (так как фаза это интеграл от частоты), хотя она выделена в самостоятельный вид и часто используется. А вот в цифровом вещании это так называемая ФМн (Фазовая манипуляция) или АФМн (Амплитудно-фазовая манипуляция) — это кода определенному цифровому символу соответствует определенный дискрет фазы для ФМн или позиция амплитуды и фазы для ФМн.
                                                                        image
                                                                        Последняя получила широкое распространение в современных стандартах DVB, Wi-Fi, и т.д.
                                                                          0
                                                                          статья для людей не искушенных такими подробностями, для более легкого понимания.
                                                                            +1
                                                                            Я вас понимаю, просто указал на неточности в определениях (а точнее картинках), ну и упомянул про ФМ для интересующихся. Спасибо за ваш труд, все-таки тема радиоволн очень сложна и такие статьи позволяют проникнуться идеей, и не утонуть в дебрях формул.

                                                                            Думаю неплохо было-бы рассказать хаброжителям поподробнее о модуляциях и их спектрах. Как по мне в спектральной области появляется очень много интересного для практического применения. Но это тема другой статьи, если есть интерес попробую осилить.
                                                                              0
                                                                              Очередная статья серии о антеннах. Ваши пожелания постараюсь учесть в будущем.
                                                                          0
                                                                          Очень интересно, как всё это принимать и выделять умудряются из общего шума в радиодиапазоне.

                                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                          Самое читаемое