Електромагнитни вълни. Спектри на електромагнитни вълни. Радиовълни. Честотни обхвати



Дата24.07.2016
Размер155.63 Kb.
Електромагнитни вълни. Спектри на електромагнитни вълни.

Радиовълни. Честотни обхвати



  1. Електромагнитни вълни. Електромагнитен спектър.

1. Електромагнитни вълни

Електромагнитните вълни се разпространяват в пространството със скоростта на светлината (300000 km/s). Електромагнитните вълни с определена дължина ламбда λ (във вакуум) имат съответна честота ν и енергия на фотона E.

Електромагнитният спектър може да се опише като функция на всяка от тези три величини. Връзката между тях се описва с уравненията:

λ = с/ν


E = h.ν,

където: c е скоростта на светлината,

c = 299 792 458 m/s ≈ 300 000 km/s;

h – константата на Планк, h ≈ 626069.10-34 J.s

На фиг. 1 са показани нискочестотни и високочестотни електормагнитни вълни.

Фиг. 1. Електормагнитни вълни


2. Електромагнитен спектър.

Електромагнитен спектър се нарича диапазонът (обхватът) от всички възможни електромагнитни излъчвания. Също така, под електромагнитен спектър на даден обект се разбира обхватът на електромагнитното излъчване, който той излъчва (емисионен спектър), отразява, пропуска или поглъща (абсорбционен спектър).

Електромагнитният спектър обхваща всички възможни честоти - от радиочестоти от няколко херца (дълговълновата граница на спектъра) до честотите на гама-лъчите (късовълновата граница на спектъра), покривайки дължини на вълната с размер от хиляди километри до такива, съизмерими с размера на атомите и по-малки.

Спектърът съдържа, както много дълги вълни, така и вълни с изключително малка дължина, но изменението на свойствата на електромагнитните вълни в зависимост от дължината на вълната става постепенно, поради което границите между отделните части на спектъра не са точно определени.

На фиг. 2 е показан електормагнитен спектър.

Фиг. 2. Електормагнитен спектър




  1. Радиовълни. Свойства. Приложения.

Радиовълни.

Радиовълните са електромагнитни вълни с дължина на вълната от 100 km до десети от милиметъра. Използват се за предаване на информация (говор, музика, изображения). Създават се около проводник, в който протича променлив ток с висока честота и се излъчват чрез предавателна антена. Характерът на разпространението им в земната атмосфера зависи от дължината им. Попаднали върху приемна антена, индуцират в нея токове от вида на тези, от които са получени.

Радиовълните (радиочестоти), използвани в радиотехниката заемат област или спектър от 10000 m (30 kHz) до 0,1mm (3000 GHz). Това е малка област от спектъра на електромагнитните вълни. След радиовълните, по степен на намаляване на дължината следва областта на инфрачервените лъчи, после е тесния участък на видимата светлина, след него са диапазоните на ултравиолетовите, рентгеновите и гама лъченията. Всички те са електромагнитни трептения с една природа, различаващи се само по дължина на вълната и съответно по честотата.

Радиовълните се характеризират с амплитуда, фаза, честота и дължина на вълната, скорост и посока на разпространение и др.

Връзката между честотата f и дължината на вълната λ във въздуха се дава със скоростта на светлината във вакуум (с = 3.108 m/s) чрез следната зависимост:

λ = c / f

Например, за GSM 900, дължината на вълната λ е:

λ = 3 х 108 / 900 MHz = 0.33 m (или 33 сантиметра)


2. Широчина на честотната лента

Според честотата си елекромагнитните вълни се разделят на честотни обхвати. Широчина на честотната лента (честотен обхват, диапазон) е терминът, използван за описание на обхват от честоти, намиращи се в определени граници.

Вътре в диапазона на радиочестотите също има обособени подобласти, но границите между тях са условни. Те следват една след друга, а понякога даже се припокриват. Най-общо според дължината на вълната радиовълните се делят на:

свръхдълги λ>10 000 m

дълги λ=10 000-1000 m

средни λ=1000-100 m

къси λ=100-10 m

метрови λ=10-1 m

дециметрови λ=0.1-1 m

сантиметрови λ=0.1-1 dm

милиметрови λ= 0.1-1 cm

субмилиметрови λ<1 mm


В България разпределението на ползването на радиочестотния спектър в рамките на страната се осъществява от Комисията за регулиране на съобщенията. Тя изготвя „Национален план за разпределение на радиочестотния спектър на радиочестоти и радиочестотни ленти за граждански нужди, за нуждите на отбраната и сигурността, както и за съвместно ползване между тях”. С този план се определя как да се използват честотите между 9 kHz и 400 GHz между различните им ползватели. За някои от честотите, към които има голям интерес, се обявяват конкурси за даването на разрешение за ползването им - такива са например честотите за осъществяване на мобилни телефонни комуникации.

Диапазонът на радиовълните, предназначени за радио и телевизионно разпръскване е разпределен чрез международни споразумения на отделни обхвати (диапазони) и е обект на специални закони по отношение на използването му.



Международното разделяне, използвано в радиотехниката е представено на Таблица 1 и Таблица 2.
Таблица 1. Видове радиовълни и честотният им обхват

Честотна лента

Честотен диапазон

Вълнов диапазон

Дължина на вълната

Някои приложения

3 – 30 kHz

Много ниски честоти (МНЧ)

Мириаметров

100 – 10 км

Далечна навигация и морска радиослужба

30 – 300 kHz

Ниски честоти (НЧ)

Километров

10 – 1 км

Въздушна и морска навигация

300 – 3000 kHz

Средни честоти (СЧ)

Хектометров

1 – 0.1 км

AM радио и радиокомуникации

3 – 30 МHz

Високи честоти (ВЧ)

Декаметров

100 – 10 м

Радиолюбителски обхвати, сигнали за точно време

30 – 300 МHz

Много високи честоти (МВЧ)

Метров

10 – 1 м

ТV, FM, безжични телефони, контрол на въздушния трафик

300 – 3000 МHz

Ултра високи честоти (УВЧ)

Дециметров

1 – 0.1 м

UHF TV, спътникови комуникации, радари за въздушен трафик и т.н.

3 – 30 GHz

Свръхвисоки честоти (СВЧ)

Сантиметров

10 – 1 см

Предимно за спътникова телевизия

30 – 300 GHz

Крайно високи честоти (КВЧ)

Милиметров

10 – 1 мм

Спътникови служби

300 – 3000 GHz

Хипервисоки честоти (ХВЧ)

Децимилиметров

1 – 0.1 мм

Спътникови служби

Таблица 2



Честотна лента

Дължина на вълната

Честотен диапазон

абревиатура

3 – 30 Hz

105 – 104 km

Extremely low frequency

ELF

30 – 300 Hz

104 – 103 km

Super low frequency

SLF

300 – 3000 Hz

103 – 100 km

Ultra low frequency

ULF

3 – 30 kHz

100 – 10 km

Very low frequency

VLF

30 – 300 kHz

10 – 1 km

Low frequency

LF

300 kHz – 3 MHz

1 km – 100 m

Medium frequency

MF

3 – 30 MHz

100 – 10 m

High frequency

HF

30 – 300 MHz

10 – 1 m

Very high frequency

VHF

300 MHz – 3 GHz

1 m – 10 cm

Ultra high frequency

UHF

3 – 30 GHz

10 – 1 cm

Super high frequency

SHF

30 – 300 GHz

1 cm – 1 mm

Extremely high frequency

EHF

300 GHz - 3000 GHz

1 mm - 0.1 mm

Tremendously high frequency

THF

3. Основни свойства на радиовълни

Радиовълните, както и другите електромагнитни вълни, се разпространяват в пространството със скоростта на светлината (300 000 km/s). Основни свойства на радиовълните са: отражение, пречупване, затихване, дифракция, интерференция и др.

Електромагнитните вълни свободно преодоляват въздуха или космическото пространство (вакуум), но ако на пътя им има метален проводник, антена или друго електропроводимо тяло, вълните отдават част от своята енергия на този обект и по този начин създават променливо електричество в него.

Винаги част от излъчената енергия се отразява от повърхностите. Върху това свойство е основана радиолокацията.

Друго свойство на електромагнитните вълни (както и на всички други вълни) е тяхната способност да заобикалят тела по пътя си. Това е възможно само, ако телата са по-малки от дължината на вълната или са сравними с нея. Ако тялото е по-голямо от дължината на вълната, то може да я отрази. Например, за да бъде засечен самолет, дължината на вълната на радиолокатора трябва да бъде по-малка от геометричните размери на самолета (по-малка от 10 m). Има обаче и случаи, в които тялото може и да не отрази радиовълната, например, ако е изградено по технологията „Stealth”.
4. Разпространение на радиовълните.

Радиовълните пренасят в пространството енергия, излъчена от генератор на електромагнитни трептения. Енергията, която пренасят електромагнитните вълни зависи от мощността на генератора (предавател) и от разстоянието до него, т.е. далечината на приемане зависи от мощността на предавателя, но в по-голяма степен, от разстоянието до него. Например, енергийния поток на електромагнитното излъчване от Слънцето на повърхността на Земята, достига до 1 kW на квадратен метър, а потокът от енергия на средновълнова предавателна станция - едва хилядни или даже милионни части от W на квадратен метър.

Радиовълните се излъчват чрез антена и се разпространяват във вид на енергия на електромагнитното поле. И въпреки, че природата на радиовълните е една, тяхната способност за разпространение силно зависи от дължината на вълната. Земята представлява електрически проводник (макар и не добър) и преминавайки над повърхността ѝ, радиовълните постепенно отслабват. Това се дължи на факта, че електромагнитните вълни предизвикват ел. ток на повърхността на планетата, поради което се губи и част от енергията. Тоест, енергията се поглъща от Земята, при това, толкова повече, колкото е по-къса вълната (по-висока честотата). Енергията отслабва още и защото радиоизлъчването се разпространява във всички посоки и следователно, колкото по-отдалечен е приемникът от предавателя, толкова по-малко енергия се пада на единица площ и толкова по-малко попада в антената.

При разпространението си радиовълните достигат до йоносферата, отстояща на разстояние от около 40 до 500 км от земната повърхност – фиг. 3.


Фиг. 3
Йоносферата отразява радиовълните обратно към Земята, което позволява те да бъдат приемани на големи разстояния. Това явление се нарича интерференция.



Дългите вълни се отразяват в най-ниските слоеве на йоносферата и се разпространяват като приземни вълни (следват кривината на Земята). Те затихват бързо и не могат да се приемат на големи разстояния по земната повърхност – фиг. 4. Затова дълговълновите предаватели трябва да имат голяма мощност.

Фиг. 4
Средните вълни през деня се разпространяват като приземни вълни, а вечерно време се отразяват от средните слоеве на йоносферата и затова достигат до по-далечни разстояния. Поради това средновълновите предаватели се приемат по-добре вечер, отколкото през деня.



Късите вълни се отразяват от най-високите слоеве на йоносферата и затова достигат до по-далечни разстояния. На къси вълни може да се покрият големи разстояния при малка мощност на предавателя.

Ултракъсите вълни се разпространяват само по права линия (както светлината) и не се отразяват от йоносферата. Затова предавателните антени за УКВ се монтират на специални кули, построени на подходящи височини.
5. Приложения на радиовълните

На фиг. 5 са показани приложения на радиовълните в отделните честотни обхвати.


Фиг. 5
Дълги вълни (ДВ / LW)

Дългите вълни са предназначени за монофонично радиоразпръскване с амплитудна модулация ДВ-АМ в честотен обхват 148.5-285 kHz (0.1485-0.2850 MHz). Предаванията на дълговълнови предавателни станции могат да бъдат приемани на разстояние до няколко хиляди километра, при което сигналът затихва бавно и плавно. Поради характера на разпространението на дългите вълни, Световния телекомуникационен съюз (ITU) е приел разпределение на обхвата на отделни канали, които да се използват от предавателните станции. Тези канали са в обсега от 153 до 279 kHz и имат отстояние от 9 kHz. Обхвата на дългите вълни се използва за радиоразпръскване само в Европа, Северна Африка и Русия. Днес в света работят общо около 50 предавателя, излъчващи радиопрограма на дълги вълни.

В България работи един предавател на дълги вълни - Радиопредавателна станция Вакарел (край София) - 261 kHz, излъчващ Програма Хоризонт и Парламентарен канал.


Средни вълни (СВ / MW)

Средните вълни са предназначени за монофонично радиоразпръскване с амплитудна модулация СВ-АМ в честотен обхват 526.5 - 1606.5 kHz (0.5265-1.6065 MHz). Средните вълни се разпространяват на големи разстояния благодарение на дифракция по земната повърхност, а нощем се отрязяват и в йоносферата (интерференция). Стандартните честоти за Европа са от 531 до 1611 kHz с отстояние от 9 kHz. В Северна Америка се използва обхват от 530 до 1710 kHz, разпределен на канали с отстояние от 10 kHz.

В този обхват, до 2010 г. в България работиха 25 предавателя предавателя, излъчващи програмите на Българското Национално Радио.
Къси вълни (КВ / SW)

Късите вълни са предназначени за монофонично радиоразпръскване с амплитудна модулация КВ-АМ в честотен обхват 2300 - 26100 kHz (2.30-26.10 MHz). Късите вълни се разпространяват на големи разстояния основно нощем, благодарение на отразяването си в горните слоеве на йоносферата. Това позволява късите вълни да се използват за предаванията на международни радиостанции. Поради характера на разпространението на късите вълни, Световния телекомуникационен съюз (ITU) е приел разпределение на обхвата на вълнови обхвати, които да се използват от предавателните станции.

До 2012 г. Радио България излъчва предавания на 10 езика за целия свят чрез две предавателни станции: Радиопредавателен център Костинброд (край София) и Радиопредавателен център Пъдарско (край Пловдив). Радио Варна също е имало предаване на къси вълни за българските моряци, плаващи в световния океан.
Ултракъси вълни (УКВ / FM)

Ултракъсите вълни са предназначени за монофонично и стереофонично наземно радиоразпръскване с честотна модулация УКВ-ЧМ в честотен обхват 87.50 - 108.00 МHz. УКВ вълните се разпространяват до границата на пряката видимост и не се отразяват в атмосферата. Това позволява качествено излъчване на радиосигнал за ограничена територия. УКВ се използва след края на Втората световна война, с различия в някои региони на света. В САЩ УКВ обхватът е от 87.90 до 107.90 MHz, в Япония - от 76 до 90 MHz. В отделни страни УКВ обхватът е разпределен и на честотни канали, предвидени за различен тип програми. В България, както и в други страни от Източна Европа, през втората половина на ХХ-ти век за УКВ радиоразпръскване се използват честотите от 64 до 74 МHz (OIRT стандарт). От 1980-те години в България започва преминаване към западния стандарт (CCIR) с използване на честотен обхват 87.5-108 MHz.

След 2004 г., честотите в OIRT обхвата се използват само в районите, където няма свободни честоти в новия обхват. Последният предавател, излъчващ в този обхват в България спря в края на януари 2008 г. В честотния обхват 87.5-108 MHz излъчват всички регионални и национални радиостанции в страната.
Телевизионни обхвати

Предназначени за наземно радиоразпръскване на телевизионни сигнали с честотна модулация УКВ-ЧМ в обхвати 49-100 МHz (Метров обхват-1), 174-230 МHz (Метров обхват-2) и 470-862 МHz (Дециметров обхват). Както и другите УКВ вълни, телевизинния сигнал се разпространява до границата на пряката видимост и не се отразява в атмосферата. Зоната на приемане е ограничена и до голяма степен зависи от височината на предавателната и приемната антена. Честотното разпределение на телевизионните обхвати е различно в отделните страни по света.

В България, както и в други страни от Източна Европа, за ефирно телевизионно излъчване е приет стандарт, според който Метровият обхват е разпределен на 12 телевизионни канала, с офсет на честотите за изображение и звука от 6.5 MHz. Метровия обхват от своя страна се дели на МВ-I (1-5 канал) и МВ-II (6-12 канал), или МВ-I (1-2 канал), МВ-II (3-5 канал) и МВ-III (6-12 канал). Каналите в Дециметров обхват от 21 до 69 имат офсет от 5.5 MHz, като се делят на ДМВ-I (21-37 канал) и ДМВ-II (38-69 канал). За разпространение на телевизионни програми по кабелни мрежи се използват и честотните обхвати SR-1 (110-174 MHz, 1-8 канал), SR-2 (230-294 MHz, 11-18 канал) и SR-3 (294-470 MHz, 19-40 канал).

Честотите, попадащи в каналите на Метров обхват-1 съвпадат с УКВ-обхвата 87.5-108 MHz, но въпреки това продължават да се използват за ефирно телевизионно излъчване в някои региони на България. Най-мощен предавател в този обхват е Радиорелейната и телевизионна станция Венец край Шумен, излъчващ на пети телевизионен канал (93.25-99.75 MHz). На каналите от Метров обхват-2 излъчват повечето основни предаватели и ретранслатори за Първа телевизионна мрежа в страната, а в Дециметровия обхват - за Втора и трета телевизионни мрежи, както и регионални ТВ канали. При цифровизацията на ефирния телевизионен сигнал от 2013 г. в България се използват само канали в Дециметровия обхват.


Свръхкъси вълни - C-band, Ku-band, Ka-band

C-band (3-7 GHz), Ku-Band (11-15 GHz) и Ka-Band (18-40 GHz) са сектори от електромагнитния спектър в обхвата на свръхкъсите вълни, които се използват основно за сателитни радио- и телевизионни предавания от телекомуникационни спътници в околоземна орбита.

България не притежава собствени телекомуникационни спътници, но всички радио- и телевизионни оператори, излъчващи български програми от сателит се разпространяват в горепосочените обхвати.


Микровълни

Ултракъсите радиовълни с дължина на вълната между 1mm и 30 cm се наричат микровълни. Някои от съвременните приложения на микровълните са в областта на науката, техниката и бита.


Радиолокация

Откриването на различни обекти и точното определяне на тяхното местоположение с помощта на микровълни се нарича радиолокация. Това става с устройство, наречено радиолокатор или радар. Принципът на действие на радиолокатора е подобен на ултразвуковия локатор. Радиолокаторът е снабден с мощен свръхвисокочестотен (СВЧ) генератор, свързан със специална антена, която излъчва микровълни само в определена посока. (Теоретично и експериментално е доказано, че колкото дължината на електромагнитната вълна е по-малка, толкова по-голяма насоченост на излъчването може да се постигне. Това е основната причина за радиолокация да се използват микровълни, а не по-дълги радиовълни.) Поради голямата насоченост на излъчването може да се използва израза микровълнов „лъч", който се разпространява по посока на обекта, отразява се от него и се връща обратно – фиг. 6.


Фиг. 6
В съвременните радиолокатори информацията, съдържаща се в отразените от обекта микровълни, се преобразува в цифров код, което позволява бързата й по-нататъшна обработка. Това дава възможност с радиолокатора например да се следят едновременно няколко цели, да се определят техните скорости и посоки на движение и т.н.

С радиолокатори са снабдени корабите, самолетите, полицейските коли, летищата и т.н.

Чрез радиолокация се изследват също така телата от Слънчевата система - планети, спътници, комети, слънчевата корона. Поради огромните междупланетни разстояния за изучаване на небесните тела се използват мощни радиолокатори с много големи антени, както и радиолокатори, монтирани на космически апарати. Радиолокационните методи дават възможност много точно да се определят разстоянията до планетите, размерите на техните орбити, местоположението нa изкуствените спътници и др.


Други приложения на микровълните

Сателитни радиовръзки

През 1945 г. Артьр Кларк (известен писател - фантаст) предсказва, че геостационарните изкуствени спътници (това са спътници, които се въртят синхронно със Земята, поради което винаги се намират над една и съща точка от нейната повърхност) могат да се използват за далекосъобщения (телекомуникации). Днес спътниковите (сателитни) радиовръзки, които се осъществяват посредством микровълни, вече са реалност. Например само чрез един спътник могат едновременно да се предават десетки хиляди телефонни разговори или десетки телевизионни програми.


Използване на слънчевата енергия

Един от проектите за използване на слънчевата енергия предвижда тя да се събира от специални слънчеви колектори, разположени в космическото пространство. След това слънчевата енергия да се преобразува в енергия на микровълни, които да се насочват към приемната станция на земната повърхност. Тъй като Слънцето нагрява колектора непрекъснато, а микровълните (за разлика от светлината) достигат земната повърхност дори и при гъста облачност, реализирането на подобен проект би довело до по-ефективно използване на слънчевата енергия.







База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница