Уважаемые читатели, Вы знаете что такое: детектор, «деревянная антенна», металлический изолятор? А почему это зеркало зеркальное? Что такое радио FM? Вы слышали про такое как: гармоники, обратная связь, супергетеродин? Из какой «оперы» такие названия как: максимум максиморум, DSB, SSB, ПАЛСЕКАМ? Что чернее чёрного? И почему это кино, которое Вы смотрите по телевидению, короче на 4%? А Вы знаете как подключить два-три телевизора к одной антенне? А почему одни спутники «висят» над землёй, а другие движутся? Если Вы затрудняетесь с ответом или впервые слышите обо всём этом, или Вам просто интересно, то все мои мини-лекции для Вас!
Все мини-лекции в большей или меньшей степени связаны между собой. И содержание предыдущей лекции так или иначе раскрывает содержание последующей! Насколько возможно, постараюсь Вас не нагружать подробностями. Думаю, что Вы узнаете что-то новое для себя, полезное и посмотрите на всё другими глазами!?
Ну хорошо, электромагнитные поля. Ну поля, ну и что? Причём здесь какие-то волны? Причём ещё и радио? Конечно в лекциях по электричеству упоминались эти электромагнитные поля. Ну и что? Какому простому советскому электрику придёт в голову задумываться про какие-то там поля и куда это они там распространяются?.. А вот здесь в теме РАДИО, — это самое главное!
Рассмотрим, так не очень навязчиво, что такое волны вообще? Вода в тазике или спокойном пруду. Вы бросаете камень в середину (так нагляднее) водоёма. От места падения в разные стороны пошли круги,-волны рис.1. А пошли, это что? Что пошло? Вода? Нет. Пошла энергия полученная от падения камня. Вода осталась на месте, только очень заволновалась... На картинке, рядом как бы в разрезе эти самые волны. Расстояние между гребнями, — длина волны и обозначают это греческой буквой, ламбда. Очень важная величина. Максимальное отклонение волны от первоначального уровня, — амплитуда. Тоже важная величина, но так себе не очень. Число скажем горбов волны проходящих через какую-то точку отсчёта в секунду, — частота и обозначают её буквой F. Время повторения прохода горба через точку отсчёта, — период Т. Как Вы уже успели заметить кривая описывающая поведение волны есть синусоида, в смысле красивая и периодичная! А электромагнитные поля тоже красивые и тоже периодичные, — прямо родственное сходство!
Если Вы в водоём бросите скажем одновременно два камня или как на рис.4 два утёнка. От каждого пойдут волны и Вы увидите довольно симпатичную интерференционную картинку. Посмотрите на рис.2. Две волны складываются (при встрече) синфазно, так ещё колеблются в «унисон». В итоге в том месте амплитуда сложенной волны удваивается. На рис.3, шиворот-навыворот волны противофазно сложены. Так ещё, когда одна поднимается до максимума, — вторая опускается до минимума. В итоге уровень воды остаётся в первоначальном положении. Отсюда и такая интересная картинка получилась.
На рис.5 тоже симпатичная получилась, но вовсе по другой причине! Это дифракция. Слева плоская волна упирается в преграду. И только маленькая часть энергии проникает через узкую щель. А дальше происходит странные вещи... Щель становится как бы источником концентрических волн. Это свойство волны, дифракция позволяет огибать волне небольшие препятствия. А вот большие нет! И всё это видно на рис.6. За островом зеркальная гладь, а за камнем нет! Как будто его и не существует!? Здесь и проявляется свойство дифракции. К чему это я Вам говорю? А к тому, что было выявлено опытным путём, что и электромагнитные поля ведут себя также как и все волны. Значит они и есть волны со всеми вытекающими! А радиоволны? Так они, — электромагнитные волны использоваться начали с самого зарождения радио! Поэтому их и назвали, — радиоволны.
Огибание волнами препятствий за счёт дифракции небольших препятствий играет значительную роль. А небольших, это скока? Вот тут-то и вступает в наш разговор длина волны! А небольшое препятствие, это когда размеры его равны или менее четверти длины волны! А что такое длина волны? Это путь проходимый волной за период. Так ещё, если скорость волны V, то путь равен VT. А теперь ещё одна, ну очень важная величина, это частота колебаний нашей волны. Это число периодов в единицу времени, в секунду стало быть. И если Вы читали лекции про электричество, то уже знаете, что частота измеряется в Герцах со всеми нужными приставками... Вдобавок частота обратно-пропорциональная периоду. Вот и получается рис.10, длина радиоволны, греческая буква ламбда, равна скорости света делённая на частоту! И наоборот зная длину волны, — определим частоту. И если Вы прикоснулись к такой теме как радио, должны знать о некоем понятии (непонято откуда только всё это?), — чем больше по величине частота, тем говорят, что она выше! Частота высокая (по сравнению с чем?). Выше по частоте и тд. И наоборот от какой-то точки отсчёта ниже по частоте...
Ну вот, теперь можно с Вами разговаривать на профессиональном языке! Намекаю, чем выше частота, тем короче длина волны. И наоборот! Так например длина электромагнитной волны нашего переменного тока (220 вольт который, — частота 50 герц) равна 6000 километров! Посмотрим на эти радиоволны, да и вообще электромагнитные волны, под другим углом. Взгляните на рис.7. Так изображают графически электрическую составляющую и перпендикулярно ей магнитную, поведение которой аналогично электрической. И по старой доброй традиции мы рассматриваем только электрическую составляющую. На рис.8 именно она и показана в виде синусоиды со всеми параметрами естественно. А если нам это не нужно, а нужны лишь амплитуда и частота? Для чего? Ну чтобы, например видеть наглядно место нашей частоты на так называемой частотной оси. Возьмём кривую рис.8 и посмотрим по направлению стрелки. Кривая превратится в отрезок прямой, длиной равной удвоенной амплитуды. Ровно по центру точка, — ось времени, вид с торца. Берём отрезок и размещаем вертикально на оси частот. Ось частот начинается с нуля и вправо идёт с увеличением. Берём от отрезка лишь половинку, скажем верхнюю и размещаем её на оси частот рис.9. Здесь относительно частоты F2, F3 расположена выше, а F1 ниже, ну так говорят и все почему-то это понимают? Когда говорят о спектре какого либо сигнала, подразумевают именно отображение составляющих этого спектра на оси частот. Забегая вперёд, могу сказать, что на рис.9 именно спектр промодулированного колебания F2 частотой равной F3-F2 = F2-F1. Но об этом в другой лекции...
Кроме интерференции и дифракции рассмотрим и другие свойства радиоволн. Вы по аналогии с этими свойствами можете познакомиться скажем в опыте со звуковыми волнами. Чем выше частота, тем сильнее волны поглощаются средой. Если какой-нибудь идиот, находящийся на нижних этажах вашего дома врубает в три часа ночи звуковые колонки. С идиотской музыкой и что? Что вы в основном слышите? Правильно барабаны бухают Вам по голове, а всё остальное так себе, почти не слышно. Более высокие частоты почти поглотились, а низкие (буханье барабанов) менее. Длинные радиоволны легко огибают лесные массивы, возвышенности и даже кривизну земли. Короткие похуже. А очень короткие распространяются только в пределах прямой видимости! И по тому же правилу поглощаются. У кого дома спутниковое телевидение или кабельное (тоже, оттуда же!), могли заметить как только на улице дождь или снег, а иногда и просто туман, то сигнал начинает «выкобеливаться»! То картинка в кубиках останавливается, то вообще пропадает... Длина волн со спутника очень короткая и вся эта непогода поглощает радиоволны, отсюда и все такие вот телефокусы! Особенно этим страдают северные районы страны.
Но мы с Вами до сих пор всё поведение радиоволн рассматриваем считая, что они распространяются только вдоль поверхности земли. Стало быть рано или поздно они поглотятся земной поверхностью, а остальное уйдёт в космос... Но как оказалось, это не так, в смысле не совсем так! Постепенно было выяснено, что поведение волн различной длины весьма различно. Так длинные волны, километровой длины, легко огибают поверхность земли и обнаруживаются за тысячи километров, практически круглые сутки. Средние, более короткие ведут себя по-разному: днём станции слышны на несколько сот километров, а ночью на тысячи и более. Короткие же волны ведут себя ещё более непредсказуемо. В моменты магнитных бурь связь только в пределах прямой видимости, а в остальное время даже на расстояние окружности земного шара. И если повезёт, то и далее...
В чём же причина такого нестабильного поведения радиоволн? Во всём виновата наша атмосфера, точнее составляющие её. Посмотрите на рис.12. Условно показаны несколько слоёв атмосферы. Ну, во-первых это разные плотности, чем ближе к земле тем плотнее и наоборот. Во-вторых разность температур снижающаяся с высотой. Вспомните как Вы жарким летом на самолёте, да на высоте десяти километров... Сколько градусов за бортом? Правильно, до минус сорока! И это всего-то на расстоянии десяти километров! На рис.11 показано как с изменением плотности верхних слоёв повышается скорость распространения радиоволн. Условно показан фронт волны в виде отрезка прямой NM и перпендикуляра показывающего направление фронта. Точка M,M1,M2 движется быстрее (из-за увеличения скорости, при малой плотности среды) чем N,N1,N2 и фронт естественно поворачивается в сторону земли. И как результат рис.12. Продолжение поворота приводит к тому, что волна повернув, направляется к земле. Причём её «приземление» может произойти за тысячи километров. Для средних волн такое явление проявляется с наступлением темноты, когда верхние слои атмосферы быстрее остывает чем приземный нагретый слой! С короткими волнами история несколько другая. За поворот (отражение) волн отвечает так называемая ионосфера (самый верхний слой), часть атмосферы. Солнечная радиация превращает атомы воздуха в ионы, что в свою очередь делает ионосферу проводящей средой, а для радиоволн зеркалом. Радиоволны отражаются от ионосферы и направляются к земле. Земля в свою очередь «отфутболивает» их под углом обратно и тд. Совершая такие вот прыжки (скачки), волны могут обогнуть земной шар и даже многократно рис.14! Будучи радиолюбителем-коротковолновиком, и работая телеграфом, несколько раз слышал себя в виде отголоска после каждой точки и каждого тире. Был ли это случай многократного огибания моего сигнала вокруг земли или это кто-то неопознанный транслировал мой сигнал с задержкой, — вопрос конечно интересный!?
Такие свойства волн вскрывают новые минусы. Во-первых возникновение мёртвых зон, так называемых зон молчания рис.13. Левая (по рисунку) граница начинается с ухода места приёма за горизонт. Вторая с места «приземления» отражённой волны. Во-вторых, в точке «приземления» одной волны могут «приземлиться» и те волны, которые отразились в совершенно другой части атмосферы (тропосферы). Ну и что? Какая разница? А разница может быть в разности фаз «приземлившихся» волн рис.15. Волны 1,2 могут находиться в трёх состояниях: в фазе рис.2 или наоборот в противофазе рис.3. И наконец в каком-то промежуточном состоянии! В первом случае амплитуда сигнала удваивается, во втором достигает нуля! И какое-то среднее значение во всех остальных случаях... Кто в старые, добрые времена слушал на коротких волнах «вражьи» голоса, помнит как гуляет сигнал, — слышны станции с замираниями и иногда до нуля, — говорят, что они федингуют [от английского fading < fade постепенно ослабевать]!
Итак, что мы узнали? Узнали, что радиоволны это лишь часть шкалы электромагнитных колебаний. Часть используемая конкретно в целях радиосвязи радиовещания и телевидения. Ну, это как бы нам то, что ближе и дороже... Но в общем виде всё гораздо шире и серьёзней! Но как бы то там ни было, а законы для всех одни и те же. Мы узнали, что при распространении радиоволны: 1) Поглощаются средой. 2) Благодаря дифракции огибать препятствия. 3) Преломляться в атмосфере (тропосфере). 4) Отражаться от токопроводящих поверхностей и той же ионосферы. 5) К сожалению интерферировать, суммарными сигналами приходящими от одного источника разными путями!
Осталось уточнить, что окончательно все радиоволны условно делятся на части на поддиапазоны или группы волн (как Вам удобнее), а именно: а) Сверхдлинные [частоты от 0 до 30 кГц]. б) Длинные от 30 кГц и до 300 кГц. Но это так, как бы отвлечённо... А, конкретно для нас простых людей это радиовещательный диапазон от 150 кГц до 430 кГц. в) Средние от 520кГц до 1,6 мГц. г) Короткие от 3 до 23 мГц. д) Ультракороткие от 28 мГц и выше... Для нас это радиовещательный диапазон и телевидение. Вот тут начинается чехарда!
Так первый канал (частотный, а не студийный от балды?!) начинался от 48,5мГц., а второй заканчивался 65,75 мГц. В то же время радиовещательный начинался с 64,5 мГц! То есть ТВ попадало в вещательный диапазон! В СССР вещательный заканчивался частотой 76 мГц. На Западе он был несколько другим. Когда с Запада стали возить аппаратуру возник конфликт частот! Но там быстро отреагировали и стали (по крайней мере для нас) делать приёмники с УКВ-диапазоном с 64 и до 108 +++ мГц. Так ещё включили оба стандарта. И всё теперь обзывается FM! Для простого обывателя FM всё равно, что ХР, 3D и прочая лабуда! На самом же деле в СССР называлось УКВ-ЧМ, включавшее сразу два понятия ультракороткие волны и работа с частотной модуляцией. А FM та же частотная модуляция только на англицкий манер! Frequency + Modulation. Так появились всякие дурацкие применения этого FM! Те же ВЕСТИ FM! Кто придумывал всё это чем соображали головой или более мягким местом?! Ну, дык?!! СВЧ-сверхвысокие частоты. А каким боком это всё нам? А любым, каким хотите?! Так СВЧ домашние работают на частотах 2,5 ГГц. И все их боятся как бы чего-нибудь??? А мобильная связь от 460 мГц. до 2,6 ГГц технологии (4G). Примерно на таких же работают пресловутые Wi-Fi!!! И никто и ничего не боится?! Ну, дык!
Продолжение темы в следующей мини-лекции «Антенны» http://www.proza.ru/2016/03/03/605