Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Но пожалуй, пора отвлечься от истории радиотехники — она столь обширна и увлекательна, что ей следовало бы посвятить отдельную книгу, и пойдем дальше.
Распространение радиоволн над земной поверхностью
Рассмотрим, как же распространяются радиоволны электромагнитные волны длиной более долей миллиметра. В пустоте, в открытом космосе электромагнитная волна распространяется прямолинейно, причем направление вектора напряженности электрического поля E― перпендикулярно направлению распространения c―. Вектор магнитного поля Н― также перпендикулярен вектору с― и одновременно вектору Е―. Все три вектора образуют правовинтовую систему. Если излучатель воли изотропный, т. с. всенаправленный, то и волны распространяются во все стороны от него. Бросьте камень в пруд. И вы увидите волны, расходящиеся правильными концентричными окружностями. Объяснить это явление можно тем, что скорость распространения волн на поверхности воды, так же как и радиоволн в открытом пространстве, одинакова во всех направлениях.
Структура электромагнитной волны.
Как обстоит дело в земных условиях? Здесь даже аналогию придумать трудно, ведь Земля имеет форму шара. Согласитесь, нелегко представить себе шарообразный пруд. Если бы не было атмосферы, радиоволны из любой точки распространялись бы по касательной к поверхности. Связь можно было бы осуществить только в пределах прямой видимости между мачтами антенн. Это расстояние не так уж и мало. Читатели, достаточно сведущие в геометрии, легко решат задачу о дальности прямой видимости между двумя возвышенными точками. Мы же просто приведем готовую формулу
где Rз — радиус Земли; h1 и h2 - высоты мачт антенн.
Как видим, дальность пропорциональна корню квадратному из высоты мачты антенны. Например, два человека среднего роста на идеальной сферической Земле видят друг друга на расстоянии 8 км.
Определение дальности прямой видимости.
Заметим, что они видят только головы друг друга, а туловище и ноги надежно скрыты за горизонтом! Идеальную сферическую поверхность можно найти только в море, и моряки отлично знают этот эффект: сначала из-за горизонта показываются только верхушки мачт встречного корабля, видимая их часть все увеличивается по мере сближения кораблей, и уже в последнюю очередь видны корпус и палубы.
Так появляется корабль из-за горизонта.
Мы сейчас упомянули о распространении электромагнитных волн оптического диапазона световых волнах. Ведь только благодаря световым волнам мы видим то, что мы видим. Почти так же, как световые, распространяются и более длинные инфракрасные волны и еще более длинные миллиметровые и сантиметровые волны. Но здесь необходимо сделать ряд оговорок. Атмосфера может сильно поглощать некоторые волны с определенными длинами. Действует уже знакомое нам явление резонанса. Молекулы газов атмосферы ведут себя в поле электромагнитной волны как электрические диполи. А если диполь настроен в резонанс с частотой воздействующей на него волны, то он начинает интенсивно возбуждаться. Атомы в молекуле приходят в колебательное движение, а энергия волны, естественно, расходуется на возбуждение этих колебаний. Кислород интенсивно поглощает излучение с длинами волн около 0,5 см, а водяной пар — 1,35 см. На более коротких, субмиллиметровых волнах находятся линии поглощения большинства атмосферных газов, и условия распространения этих волн весьма неблагоприятны. Зато для более длинных волн, сантиметровых, дециметровых и метровых, атмосфера практически прозрачна. Все эти диапазоны относят к ультракоротким волнам (УКВ). Даже сильный дождь поглощает лишь самые короткие сантиметровые волны, тогда как более длинные волны УКВ диапазона хорошо распространяются в любую погоду.
Поглощение сантиметровых и миллиметровых волн в атмосфере.
На Останкинской башне размещены антенны Московского телецентра. Ведь УКВ распространяются прямолинейно, а с высокой башни телевизионный передатчик, работающий в диапазоне УКВ, освещает большую территорию. Были проекты размещения телевизионных антенн и на аэростатах, и на самолетах. Вот на создание каких проектов вынуждает нас кривизна поверхности Земли. В последние годы проблему предлагают решить еще радикальнее — установить телевизионные передатчики на искусственных спутниках Земли. Собственно, передачи со спутников уже давно ведутся. Только для их приема нужны достаточно большие антенны и специальные приемники. Но теперь наступает новая эра — эра прямого телевизионного вещания со спутников, когда каждый телезритель, направив антенну в небо, сможет принимать телепередачи в любой точке страны. Здесь не лишне заметить, что впервые подняли антенну на воздушном шаре А.С. Попов и П.Н. Рыбкин!
Итак, с ультракороткими волнами, вроде бы, все ясно: они распространяются прямолинейно. Но нет правил без исключения.
По мере развития радиотехники все чаще стали рассказывать о случаях, казалось бы, просто невозможных. Сигнал УКВ передатчика принимается далеко за горизонтом, почему, в чем дело? Уж не погода ли влияет? А погода неважная сыро, холодно и туман. Но синоптики предсказывают скорое прохождение теплого фронта, и небо уже затягивают слоисто-кучевые облака. Это значит, что на некоторой высоте над поверхностью Земли поверх сырого, холодного и тяжелого воздуха растекается подошедший слой теплого воздуха. Хотя показатель преломления воздуха и невелик, около 1,0003, он все-таки заставляет радиолуч слегка преломиться. А если изменение показателя преломления с высотой достигает 157 миллионных долей единицы на километр высоты, радиус кривизны радиолуча становится равным радиусу Земли и волна как бы огибает шарообразную Землю. Такие условия складываются нечасто и преимущественно в такую погоду, как мы только что описали. Холодный и влажный воздух у поверхности имеет большой индекс преломления, а теплый и сухой воздух на высоте — малый. Любая волна всегда преломляется в сторону среды с большим индексом. Явление преломления электромагнитных волн в атмосфере называется рефракцией. Она наблюдается и в оптическом диапазоне — заходящее Солнце мы видим еще несколько минут после того, как оно скроется за горизонтом. Были случаи (совсем уж редкие), когда с Южного берега Крыма видели турецкие горы! В УКВ диапазоне рефракция случается гораздо чаще. Для ее возникновения достаточно даже легкого, росистого летнего утра.
Хорошо помню, как именно в такое утро, поеживаясь от еще не ушедшей ночной прохлады, я вылез из палатки, стоящей на берегу Онежского озера, около Вытегры, и включил приемник. Было 25 июня 1979 года. Не сразу сообразив, что делаю, я включил УКВ диапазон и настроился на ленинградскую станцию. Послушал, какая там погода, какие фильмы и концерты ожидаются вечером. Наконец, вспомнил, что до Ленинграда больше четырехсот километров и попасть туда вечером совершенно нереально. Но что самое главное, УКВ сигналы не должны были бы приходить оттуда! Уяснив себе, что столкнулся с аномальным явлением распространения радиоволн, стал внимательно прослушивать весь диапазон. И что же?
Передают последние известия из Новгорода. Рядом рассказывают о достижениях сельского хозяйства в Вологодской области. А уж Петрозаводск слышно как Москву в московской квартире! Все объяснилось очень просто. Ночью было + 5°, выпала сильная роса, и приземный слой воздуха стал холодным и влажным, в то время как восходящее Солнце подогрело верхние слои воздуха. Обычная тропосферная рефракция! К одиннадцати часам дня не было слышно ни дальних городов, ни Петрозаводска, до которого было всего каких-нибудь 150 км.
Аналогичный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил с собой на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и чем его объяснить, я не знаю. Возможно, обширная область тропосферной рефракции охватила Арктику или очень сильно возросла концентрация электронов в ионосфере в связи с магнитной бурей или полярным сиянием и ультракороткие волны отражались от ионосферы так же, как короткие.
С другими аномальными случаями распространения УКВ мы еще встретимся, а пока перейдем к диапазону радиоволн с длинами от нескольких километров до десяти метров.
