Распространение радиоволн - процесс передачи в пространстве электромагнитных колебаний радиодиапазона. В естественных условиях распространение радиоволн происходит в различных средах, например, в атмосфере, космической плазме, в поверхностном слое Земли.

Скорость распространения радиоволн в вакууме равна скорости света с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника . Распространение радиоволн в средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с, и в равновесной среде сопровождается поглощением электромагнитной энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний электронов и ионов среды под действием электрического поля волны. Если напряжённость поля гармонической волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (например, на электрон в атоме), то колебания происходят также по гармоническому закону с частотой пришедшей волны.

Колеблющиеся электроны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с другими амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн.
Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону

а фаза волны изменяется по закону

где x – показатель поглощения, n – преломления показатель; n и x зависят от диэлектрической проницаемости среды, её проводимости и частоты волн ω:

Где tgδ - тангенс угла потерь, фазовая скорость v = c/n. Среда ведёт себя как диэлектрик если tgδ <<1 и как проводник если tgδ >>1. В среде ε и σ являются функциями частоты. Вид частотной зависимости определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собственным частотам среды (например, при распространении радиоволн в ионосферной и космической плазме).

При распространении радиоволн в средах, не содержащих свободных электронов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных электронов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную полю волны. В плазме поле волны вызывает смещение свободных электронов в направлении Н. Однако для того чтобы передать при помощи радиоволн какую – либо информацию (энергию), необходимо иметь ограниченный во времени радиосигнал, представляющий собой некоторый набор гармонических волн. Спектральный состав сигнала зависит от его длительности и формы. Радиосигнал распространяется с групповой скоростью.

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс распространении радиоволн в этом случае подчиняется законам геометрической оптики. Однако реальные среды неоднородны. В них n, а следовательно, и v_ф различны в разных участках среды, что приводит к рефракции радиоволн. В случае плавных (в масштабе λ) неоднородностей справедливо приближение геометрической оптики. Если показатель преломления зависит только от высоты h отсчитываемой от сферической поверхности Земли, то вдоль траектории луча выполняется условие

Соотношение представляет собой закон Снелля преломления для сферически слоистой среды. Здесь R₀ – радиус Земли, φ – угол наклона луча к вертикали в произвольной точке траектории.

Если n убывает при увеличении h, то в результате рефракции луч, по мере распространения, отклоняется от вертикали и на некоторой высоте h_m становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рисунок 1, а). Максимальная высота h_m, на которую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения и определяется из условия

Cогласно приближению геометрической оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости волновое поле возрастает, а при h > h_m убывает экспоненциально (рисунок 1, б). Нарушение законов геометрической оптики при распространении радиоволн связано также с дифракцией волн, вследствие которой радиоволны могут проникать в область геоместрической тени.

На границе области геометрической тени образуется сложное распределение волновых полей. Дифракция радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел) и особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с λ.

Если распространение радиоволн происходит вблизи резкой границы (в масштабе λ) между двумя средами с различными электрическими свойствами (например, атмосфера – поверхность Земли или тропосфера – нижняя граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (например, от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя.

В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн, при котором происходит локализация потока энергии между определенными поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с распространением медленнее, чем в однородной среде (атмосферный волновод). В средах с плавными неоднородностямн локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ и с отражением.
В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в различных направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l<< λ (так называемое рассеяние Рэлея) рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При λ=l возникает сильное резонансное рассеяние.

Большое влияние на распространение радиоволн оказывают электрические свойства земли и атмосферы. Так как поверхность способна проводить ток, то она не отпускает от себя радиоволны. При распространении радиоволн в космосе они могут отклоняться от прямолинейного направления – отражаться, рассеиваться, преломляться – в том случае, если на их пути встретятся препятствия, соизмеримые с длиной волны и даже несколько меньшие.Если рассматривать радиопередачу вблизи морской поверхности, то можно сказать, что вода также будет влиять на поведение радиоволн. Это можно объяснить тем, что в воде находятся растворенные соли, а из этого следует, что соленая морская вода является электролитом, то есть способна проводить ток. Благодаря этим свойствам морская вода удерживает радиоволны.

Различают следующие диапазоны волн: длинные волны, средние волны, короткие волны , ультракороткие волны .

Длинные волны (далее ДВ) – это электромагнитные волны длиннее 3000 м (частота колебаний более 1000 КГц). Они сравнительно хорошо огибают земную поверхность за счет явления дифракции радиоволн. По мере удлинения волны уменьшаются потери энергии в почве (воде) и улучшаются условия отражения радиоволн от ионосферы, что приводит к увеличения дальности действия радиостанции. При расстоянии менее 100 км до передатчиков ДВ преобладают сигналы, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а на больших расстояниях решающую роль играют сигналы, отраженные от ионосферы.

Средние волны (далее СВ) – это электромагнитные волны длиной от 200 до 3000 м, что соответствует частотам 1500 – 100 КГц. Энергия СВ очень сильно поглощается в почве и морской воде (с укорочением длины волны поглощение увеличивается).

Короткие волны (далее КВ) – это электромагнитные волны длиной от 10 до 200 м, что соответствует частоте колебаний от 30 МГц до 1,5 МГц. Основной особенностью распространения КВ является их способность отражаться от ионосферы при сравнительно небольших потерях. Отраженная от ионосферы волна, на больших отдалениях от передатчика возвращаются на землю, что и позволяет установить радиосвязь между точками, закрытыми друг от друга выпуклостью земного шара.

Ультракороткие волны (далее УКВ) – это радиоволны короче 10м, что соответствует электромагнитным колебаниям с частотой более 30МГц. УКВ в обычных условиях не отражаются от ионосферы. Прямые волны, распространяющиеся вблизи поверхности земли, сильно ею поглощаются. Диапазон УКВ принято разбивать на: метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые.

Зона уверенного приема УКВ определяется расстоянием прямой видимости от передающей антенны до приемной. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна (радиус 6370км), можно использовать приблизительную формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

где D – максимальная дальность прямой видимости,км, h1 и h2 - высоты антенны,м. Из формулы видно, что чем выше подняты антенны, тем дальше прием.

Формула не учитывает рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально гладкой поверхности. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеет место и дифракция и рефракция радиоволн. Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием радиосигнала, можно разбить на 2 зоны: прямой видимости и полутени.

Таким образом, получаем, что на распространение радиосигнала УКВ диапазона влияет в большей степени высота подвеса антенн. Для увеличения дальности распространения УКВ диапазона в области полутени необходимо применять высокоэффективные направленные антенны, высокочувствительное приемопередающее оборудование, кабели с низкими потерями.

 

 

 

 

Основные применения радиоволн: радиолокация; радиоастрономия; телевидение; радиовещание. Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией. Радиолокационная установка — радиолокатор (или радар) — состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты. Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну. Острая направленность излучения получается вследствие сложения волн. Антенна устроена так, что волны, посланные каждым из вибраторов, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направлениях при сложении волн происходит полное или частичное их взаимное гашение.
Радиоастрономия - раздел астрономии, исследующий небесные тела по их радиоизлучению при помощи радиотелескопов. Наземные радиоастрономические наблюдения могут проводиться в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м (более короткие и длинные волны поглощает атмосфера); для радиотелескопов, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли, этот диапазон значительно шире. Разрешающая способность радиоастрономических инструментов превысила возможности оптических телескопов. Методами радиоастрономии были открыты новые типы источников космического электромагнитного излучения (радиогалактики, пульсары, межзвездный газ), а также реликтовое излучение.
 

Антенна — устройство для излучения и приёма радиоволн (разновидности электромагнитного излучения). Антенна является конвертором электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот.

Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Применяются антенны в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели (щелевая антенна), спиралей из металлических проводов и другие.

Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать в режимах передачи и приема. В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным импедансом. К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся: полоса пропускания, поляризация ,входной импеданс и коэффициент стоячей волны (КСВ), диаграмма направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД), эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ), коэффициент усиления антенны (КУ), фазовая диаграмма (ФД), коэффициент полезного действия (КПД), шумовая температура антенны (ТА)
Антенны широко используются в современной военной и бытовой технике, а так - же в беспроводных сетевых технологиях Wi-Fi и WiMAX.

Радиоволновод — линия передачи СВЧ, описываемая телеграфным уравнением служащий для передачи радиоизлучения. Боковая поверхность канала радиволновода является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая или магнитная проницаемости и электропроводность. Эта поверхность может иметь произвольную форму, применяются цилиндрические радиоволноводы с разнообразными сечениями (прямоугольные, круглые, Н- и П-образные и пр.).К радиоволноводам, обычно относят только такие, у которых канал имеет односвязное сечение. Остальные рассматриваются в теории длинных линий.
Главная особенность радиоволновода заключается в том, что в нем могут распространятся волны, длина волны которых меньше или сравнима с характерным поперечным размером волновода. Это обуславливает применение радиоволноводов главным образом в области сверхвысоких частот.
Основным преимуществом металлических радиволноводов по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является малость потерь на СВЧ.
При одинаковых размерах радиоволновода и, например, двухпроводной линии поверхность волновода, по которой текут токи всегда больше, чем у двухпроводной линии. Следовательно, плотности токов, а следовательно, и потери на джоулево тепло в радиоволноводе меньше.