Дальнейшая история радиотехники — это история электрических схем, комплектующих элементов, история математического осмысления получаемых результатов, история уменьшения габаритов, повышения эффективности, снижения стоимости. Новую историю, однако, рассказывать очень сложно — она пестрит обилием интересных фактов, потрясающих идей, обилием имен и названий фирм. Следы этой истории есть в доме и у вас — это ламповые или транзисторные телевизоры и радиоприемники, это беспроводные и сотовые телефоны, это спутниковые телевизионные системы. Возможно, когда-нибудь вы, уважаемые читатели, внесете вклад в развитие этой области человеческой деятельности.
Особенности распространения радиоволн
Глядя на мир, нельзя не удивляться
Историю открытия электромагнитных волн вы теперь знаете хорошо. Но что собой представляет электромагнитная волна, радиоволна, как она распространяется в пространстве, что влияет на распространение, какие волны и почему используются в радиотехнике — об этом предстоит узнать сейчас.
Как устроена электромагнитная волна? Очень просто — взгляните на рис. 10.7.
Рис. 10.7. Распространение электромагнитной волны
Мы уже знаем, что переменное электрическое поле рождает переменное магнитное поле и наоборот. Вспомните также детскую игру «хождение по болоту», когда участникам дают два маленьких коврика, на которые они должны наступать. Поэтому, чтобы совершать движение, нужно постоянно эти коврики передвигать — то один, то другой. Так и электромагнитная волна. Она напоминает отрезок цепи, в котором имеется два колечка, причем заднее колечко всегда норовит встать вперед. Колечко «Н» — магнитного поля, «Е» — электрического. Возникнув в пространстве, например «уйдя» с антенны, кольцо «Е» выдвинет вперед себя кольцо «Н», затем кольцо «Е» исчезнет. А кольцо «Н» выдвинет вперед себя кольцо «Е». Вот так электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поскольку электромагнитную волну рождают только переменные поля, графическое представление волны несколько изменяют, переходя от «колец» к синусоидам (рис. 10.8).
Рис. 10.8. Физическая сущность электромагнитной волны
Вертикальное поле в данном случае — поле электрическое, горизонтальное — магнитное. Впрочем, положения полей могут быть и другими — например, электрическое поле может быть горизонтальным или наклонным. Это свойство называется поляризацией электромагнитной волны.
Конечно, амплитуда электрической и магнитной составляющих волны, распространяющейся в какой-нибудь среде, например в воздухе или в кирпичной кладке домов, постепенно уменьшается. Говорят, что в веществе электромагнитная волна постепенно затухает. Но в вакууме волна может распространяться без затухания неограниченно долго. Интересный пример в данном случае являет нам космическое реликтовое излучение, открытое совсем недавно. Как известно, появившаяся в 20-х гг. XX в. теория возникновения Вселенной в результате большого взрыва предполагала обнаружение в пространстве остатков этого процесса — электромагнитных волн. Сегодня реликтовое излучение обнаружено. Реликтовые электромагнитные волны прошли путь, равный миллиардам световых лет (!). Это — слепки молодой Вселенной, ее следы.
Но вернемся к делам земным. Чуть выше мы упоминали о том, что разработчики радиостанций постоянно стремились повысить излучаемую мощность. Эта мощность переносится электромагнитной волной. Как видно из рис. 10.8, компоненты электромагнитной волны — магнитная и электрическая — имеют колебательный характер, значит, в качестве характеристики волны можно ввести ее частоту. Однако, поскольку волна распространяется в пространстве, точки А и В, в которых колебания имеют одинаковую фазу, отстоят друг от друга на определенном расстоянии, очевидно, связанном с частотой. Понятно также, что скорость волны не равна бесконечности, а ограничена. Чем быстрее распространяется волна, чем больше будет ее скорость, тем дальше будут отстоять друг от друга точки А и В, тем меньше будет ее частота и больше длина. Очевидно, что частота, длина и скорость волны связаны между собой! Помните, еще в опытах Герца было выяснено, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Чуть позже установили — в среде, отличной от вакуума, волна распространяется немного медленнее. Если обозначить скорость буквой с, частоту — f, а длину — λ, то получим простое соотношение для связи перечисленных характеристик:
λ = c/f
Точное значение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме:
с = 2,997925·108 м/с.
Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин. Для того чтобы классифицировать волны по отличительным признакам и характерным особенностям, введена так называемая шкала электромагнитных излучений.
Изучая эту таблицу, можно сделать вывод, что видимый человеческим глазом свет тоже представляет собой электромагнитную волну, правда, имеющую частоту намного выше частоты радиоволн. Радиотехника никогда не «заползает» дальше диапазона радиоволн и очень редко пользуется низкочастотными волнами. Поэтому рассмотрим деление радиочастот согласно международному регламенту радиосвязи, которое приведено в табл. 10.2.
Наиболее широко в средствах связи и вещания используются диапазоны начиная от НЧ и заканчивая УВЧ. В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ работают трансляционные передатчики, средства радиолюбительской и профессиональной связи, средства военной связи. Диапазон УВЧ используется для работы домашних мобильных телефонов, сотовой связи. Диапазон СВЧ отдан средствам космической связи, спутниковым системам телевещания, трансляции, передаче цифровых данных. Диапазон КВЧ — это диапазон работы радарных систем.
Диапазоны СНЧ, ИНЧ и ОНЧ использовать очень сложно, так как для эффективного излучения электромагнитных волн и их дальнего приема необходимы антенны, приближающиеся в своих размерах к длинам этих волн, то есть в десятки, сотни и даже тысячи километров. Мы знаем об этом из ответа Герца инженеру Губеру.
Однако люди научились использовать и эти диапазоны волн, причем совершенно неожиданно. Как вы думаете, насколько хорошо распространяются электромагнитные волны в морской воде, являющейся проводником электрического тока? Распространяются, но очень плохо. Чем выше частота волны, тем сильнее она поглощается морской водой, тем быстрее она затухает. По этой причине конструкторы подводных лодок были вынуждены отказаться от радиосвязи на глубине и придумывать разные хитрые способы с выбрасыванием на поверхность радиобуев. Но когда обнаружили, что электромагнитные волны очень низких частот слабо поглощаются морской водой, то разработали связь, впрочем, одностороннюю с лодкой в подводном положении. Для того чтобы принять сигнал, лодка разматывает буксируемую антенну длиной в десятки километров и принимает информацию, а затем антенну сматывает.
Радиопередающие средства этой системы связи могут впечатлить любого. По некоторым сведениям, американская антенна связи с подводными лодками занимает площадь целого штата. Она представляет собой сетку с размером ячеек около километра, закопанную в землю. Есть ли такая система связи в России, авторам неизвестно.
Радиовещательные диапазоны также имеют четкое деление, приведенное в табл. 10.3.
Поговорим теперь о распространении радиоволн в пространстве. Красноречивый пример, относящийся к 1930 г., позволит задать множество вопросов.