Радиоизлуче́ние (радиово́лны, радиочастоты) — электромагнитное излучение с длинами волн 5 × 10^-5 — 10¹⁰ метров и частотами, соответственно, от 6 × 10¹²Гц и до нескольких Гц. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях.

Радиоволны, излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т.д. Способы распространения радиоволн существенно зависят от длины волны λ, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда других факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое распространение радиоволн называется свободным. Условия распространения радиволн в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному.

Рассеяние на флуктуациях ε. Помимо регулярных изменений диэлектрической проницаемости ε с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) ε, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей ε, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 1).

При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l4, если размер рассеивающей частицы d < l, и не зависит от l, если d >> l (см. Рассеяние света). Практически через область сильного дождя или тумана волны с l < 3 см распространяться не могут. Волны короче 1,5 см, помимо этого, испытывают резонансное поглощение в водяных парах (l = 1,5 см; 1,35 см; 0,75 см; 0,5 см; 0,25 см) и кислороде (l = 0,5 см и 0,25 см). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения.

Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 2), сложение которых приводит к замираниям — хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее распространение радиволн (метрового диапазона).

Образование вторичного излучения, источниками которого являются неоднородности вещества, возбуждаемые полем первичной волны. Степень когерентности излучения таких вторичных источников определяется корреляционных связями поля неоднородностей среды. Интерференция вторичных волн вызывает образование сложной дифракционной картины распределения рассеянного поля, зависящей от структуры неоднородностей. Динамика и эволюция поля неоднородностей приводят к соответствующей изменчивости его дифракционной картины, к флуктуациям параметров волны.

Для математического описания рассеяния электромагнитных волн на случайных неоднородностях в макроскопической теории исользуются Максвелла уравнения, в которых диэлектрическая проницаемость среды является случайной функцией координат и времени. Корреляционные функции случайного поля флуктуации определяют угловой и частотный спектры рассеянного поля, колебания его интенсивности, амплитуды, фазы, поляризации. Так, при распространении плоской волны средняя интенсивность рассеянной в заданном направлении волны характеризуется сечением рассеяния, которое определяется спектральной плотностью флуктуации проницаемости.
 

На практике рассеяние радиоволн играет двоякую роль. С одной стороны, оно приводит к ослаблению первичной волны, с другой – рассеянные в различных направлениях волны вызывают увеличение поля в пунктах, куда оно не проникает в отсутствие рассеяния вообще, и могут, т. о., быть использованы для радиосвязи. Например, благодаря рассеянию радиоволн на флуктуациях электронной плотности в ионосфере возможна загоризонтная КВ-связь на расстояниях более 2000 км, что значительно превышает возможности чисто дифракционного проникновения поля за Горизонт. Аналогично рассеяние волн на турбулентных неоднородностях тропосферы также способствует увеличению поля далеко за горизонтом. Явление рассеяния радиоволн широко используется для целей дистанционные исследования свойств среды. Например, рассеяние радиоволн на тепловых флуктуациях электронной плотности позволяет измерить концентрацию электронов, ионную и электронную температуры в ионосферной и лаб. плазмах. Неоднородности тропосферы эффективно исследуются с помощью рассеяния «назад» импульсов радиолокаторов.
Если в среде возможно распространение несколько типов волн, то процесс рассеяния сопровождается трансформацией энергии волн одного типа в энергию волн другого типа. Так, электромагнитная волна в неоднородной плазме порождает рассеянные плазменные волны (и наоборот). Волна с одним типом поляризации порождает волну с другим типом поляризации. В нерегулярных волноводах из-за рассеяния происходит трансформация энергии одних мод в энергию других. Термин «рассеяние радиоволн» употребляется не только в случае; взаимодействия волн с неоднородностями, распределенными по объёму. О рассеянии говорят при отражении радиоволн от шероховатых поверхностей (от взволнованной поверхности моря, от поверхности Земли и т. д.), при описании дифракции на отд. объектах (от следа ракеты, самолёта, облака и т. п.). Рассеяние на искусственных образованиях и структурах широко применяется в физике и технике. Примером может служить рассеяние радиоволн на возмущении, порождаемом в атмосфере мощным звуковым импульсом. Доплеровское смещение частоты рассеянного сигнала позволяет определить скорость звука и, следовательно, высотное распределение температуры. Аналогично рассеяние волн на квазипериодических структурах, возникающих при воздействии на ионосферу мощных радиоволн, служит для определения параметров верхней атмосферы.

Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской . Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r², что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна:

, где P_c — мощность сигнала на входе приёмника, Р_ш — мощность шумов, G₁, G₂ — коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с = 3^.10⁸ м/с.

При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн. Поглощение и изменение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения c и показателем преломления n, которые, в свою очередь, зависят от диэлектрической проницаемости e и проводимости s среды, а также от длины волны l:

 

Коэффициент поглощения b = 2pc/l, фазовая скорость u = c/n. В этом случае rд определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (e, s). В земных условиях Р. р. обычно отличается от свободного. На распространение радиоволн оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т.д. Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны.