§ 33. Радио- и СВЧ-волны в средствах связи

Определения и обозначения

Радиоволна — электромагнитная волна, создаваемая переменным током в передающей антенне и распространяющаяся в пространстве. Она переносит энергию от передатчика к приёмнику. Это понятие нужно, чтобы описывать беспроводную передачу сигналов.

Радиосвязь — передача информации с помощью радиоволн без проводного соединения между передатчиком и приёмником. Информацией могут быть звук, изображение или цифровые данные. Благодаря радиосвязи работают радио, телевидение, мобильные телефоны и спутниковые системы.

Модуляция — изменение параметра высокочастотного несущего колебания в соответствии с передаваемым сигналом. Несущая служит «переносчиком», а модуляция кодирует в ней полезную информацию. Без неё низкочастотный сигнал было бы трудно эффективно излучать и отделять от других передач.

СВЧ-волна — электромагнитная волна сверхвысокой частоты с малой длиной волны, применяемая для направленной передачи сигналов и радиолокации. Такие волны можно сосредоточить узким пучком с помощью антенн. Поэтому их используют там, где нужны точное направление и большая пропускная способность.

Как это устроено

Переменный ток в антенне постоянно меняет направление и величину. Из-за этого изменяющееся электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле, а оно, в свою очередь, поддерживает электрическое поле вдали от антенны. Так возникает электромагнитная волна, которая распространяется в пространстве и переносит энергию.

Информация изменяет параметры волны, поэтому вместе с энергией передаётся и сигнал. Обычно звук или изображение сначала превращают в электрический сигнал, а затем накладывают его на высокочастотную несущую. Высокая частота нужна потому, что короткая волна лучше излучается антенной разумного размера, позволяет разделять каналы и передавать больше данных. Связь между частотой и длиной волны задаёт формула λ = c/f.

При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущего колебания, а его частота остаётся постоянной. При частотной модуляции амплитуда сохраняется почти неизменной, зато частота немного меняется по закону информационного сигнала. В приёмнике демодулятор выделяет эти изменения и превращает их обратно в электрический сигнал звука, изображения или данных.

Антенны передатчика и приёмника выбирают с учётом длины волны: их размеры и форма влияют на эффективность излучения и приёма. Если антенна согласована с рабочей длиной волны, большая часть энергии уходит в волну или поступает в приёмный тракт. Распространение зависит также от частоты: одни волны отражаются от ионосферы или огибают препятствия, а другие проходят почти прямолинейно. Здания, рельеф и поглощение могут ослаблять сигнал.

СВЧ-волны удобно направлять узким пучком, поэтому они подходят для радиорелейных линий, спутниковой и мобильной связи, телевидения и радиолокации. Радиорелейные станции передают сигнал цепочкой, а спутник заменяет недостающий участок прямой видимости. Для СВЧ обычно нужны антенны, «видящие» друг друга, либо промежуточные ретрансляторы. В радиолокаторе измеряют время возвращения отражённого импульса и по нему находят расстояние.

Виды радиосвязи и особенности используемых радиоволн

Таблица показывает, какой способ модуляции или передачи используется в разных системах. Сравнивая строки, обращайте внимание не только на название связи, но и на свойства волн: дальность, направленность и необходимость прямой видимости. Это помогает связать техническое применение с физическими особенностями сигнала.

Амплитудная и частотная модуляции отличаются именно изменяемым параметром несущей. Для СВЧ-систем особенно важны направленность антенны и геометрия трассы. В радиолокации ключевой результат получают не из силы сигнала, а из времени его возвращения.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определить длину радиоволны при частоте несущего сигнала 100 МГц. Скорость распространения принять равной 3·10⁸ м/с. Сначала нужно перевести мегагерцы в герцы, иначе единицы в формуле не совпадут.

1. Переведём частоту: f = 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц.
2. Используем формулу λ = c/f.
3. Подставим значения: λ = 3·10⁸/10⁸ м = 3 м.

Ответ: длина радиоволны равна 3 м. При такой частоте одна длина волны во много раз больше длины звуковой волны, поэтому сигнал удобно излучать антенной.

Задача 2

Условие: передатчик работает на частоте 150 МГц. Требуется найти период колебаний и длину волны в воздухе. Скорость радиоволн принимаем равной 3·10⁸ м/с, а частоту сначала выражаем в герцах.

1. f = 150 МГц = 150·10⁶ Гц = 1,5·10⁸ Гц.
2. Период одного колебания: T = 1/f = 1/(1,5·10⁸) с ≈ 6,7·10⁻⁹ с.
3. Длина волны: λ = c/f = 3·10⁸/(1,5·10⁸) м = 2 м.

Ответ: T ≈ 6,7 нс, λ = 2 м. Проверка показывает, что при большей частоте 150 МГц длина волны меньше, чем в первой задаче.

Задача 3

Условие: радиолокатор принимает отражённый СВЧ-импульс через 0,8 мс после излучения. Нужно определить расстояние до объекта и длину волны при частоте 10 ГГц. Время относится ко всему пути импульса: до цели и обратно.

1. Переведём время: t = 0,8 мс = 0,8·10⁻³ с.
2. Полный путь равен ct, поэтому расстояние до объекта s = ct/2 = 3·10⁸·0,8·10⁻³/2 м = 1,2·10⁵ м = 120 км.
3. Переведём частоту: f = 10 ГГц = 10·10⁹ Гц = 10¹⁰ Гц.
4. Найдём длину волны: λ = c/f = 3·10⁸/10¹⁰ м = 0,03 м = 3 см.

Ответ: объект находится на расстоянии 120 км, длина волны излучения равна 3 см. Деление на два обязательно, потому что измеренное время включает возвращение импульса к радиолокатору.

Типичные ошибки

Путают частоту информационного сигнала с частотой несущей. Из-за этого считают, что радиоволна имеет звуковую частоту, хотя звук только изменяет параметры несущего колебания. Проверьте, какая частота дана в условии и какой сигнал описывает модуляция.

Не переводят МГц и ГГц в герцы. При подстановке приставки означают множители 10⁶ и 10⁹, поэтому ошибка меняет ответ в миллион или миллиард раз. Перед вычислением запишите частоту полностью в герцах.

Берут в радиолокации путь только до объекта. Приёмник фиксирует импульс после возвращения, поэтому он прошёл двойное расстояние. Если дано время между отправлением и приёмом, используйте s = ct/2.

Считают, что все радиоволны распространяются одинаково. Частота влияет на отражение, поглощение, огибание препятствий и прямую видимость. Сверяйте вывод с диапазоном волн и условиями трассы: СВЧ обычно требуют открытого пути.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны свойства электромагнитных волн, формула λ = c/f и основы вынужденных электромагнитных колебаний. Радиосвязь продолжает изучение переменного тока, колебательного контура, антенны и передачи энергии волной. Эти знания применяются при изучении радиолокации, мобильной и спутниковой связи, телевидения, оптики и современных цифровых систем.

Что запомнить

• Радиоволны являются электромагнитными волнами.
• Скорость радиоволн в вакууме примерно равна 3·10⁸ м/с.
• Длина волны связана с частотой соотношением λ = c/f.
• Модуляция нужна для передачи информационного сигнала с помощью высокочастотной несущей.
• При амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущего колебания, а при частотной — его частота.
• СВЧ-волны обладают высокой направленностью и широко применяются в радиолокации и спутниковой связи.