XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение прохождение радиоволн на УКВ диапазоне
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Вероятнее всего, для кого то данный материал не новинка, но есть большая часть людей, которые когда либо сталкивались с понятием радио (поверхностно) и не имея представления о том, как это работает, строят свои доводы и иллюзии. Они основываются на своих теориях распространения радиоволн, ломая все законы физики.
Частично на своих словах и материалами собранным из сети Интернет, попробую донести некоторую полезную информацию, о распространение радиоволн.
И так — Как это работает?! Теория радиоволн. Просто о сложном.
Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Цельисследовательскойработы – Изучить зависимость распространения радиоволн от свойств атмосферы.
Теория радиоволн.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте:
Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц) Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м).
Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м).
Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли. Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
Так, к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон)
v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон)
v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция
Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ.
Радиоволны различных диапазонов распространяются на разные расстояния. Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывает опыт и теория, поверхность земли существенно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности Земного шара и отдельные неровности рельефа – горы, ущелья и т. п.). Влияние это различно для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком и приемником РЛС.
Понятно, что любая радиолокационная система включает в свой состав тракт распространения, поэтому безупречная и надежная работа всей системы в целом в значительной мере определяется условиями распространения радиоволн на участке, разделяющем передающую и приемную антенны.
Наблюдение прохождение радиоволн на УКВ диапазоне при восходе солнца
В нашем случае наблюдение осуществлялся между радиолюбительским маяком в городе Шымкент и антеннами радиоприемника, расположенными во Дворце студентов в городе Туркестан.
Радиолюбительский маяк в г.Шымкент.
Антенна: четверт волновой штырь;
Мощность передатчика – 2 Вт;
Высота подвеса – 18 м;
Модуляция – FM.
Приемник Дворца школьников в г.Туркестан.
Приемник на трансивер – iC-9700;
Антенна стек – 2х5 элементов;
Волновой канал.
Ниже на понарамном индикаторе приемника показан наглядный пример как меняется прохождение радиоволн на УКВ диапазоне при восходе солнца. Наблюдение проводилось 01 марта 2023 года. День безоблачный. Ясная погода. На начало наблюдения в 09:02 часов солнце не прогрело ионосферу находящиююся низко. По прямой видимости связи нет. Отражение от тропосферы нет. (Рисунок 1)
По мере прогревания воздуха солнцем, слой ионосферы постепенно начинает подниматься вверх, тем самым наступает момент отражения от ионосферы, где проходит сигнал на расстоянии 146 км. (Рисунок 2)
09:22: Нет прохождения. Сигнал отсутствует. (Рисунок 3)
09:32: Постепенно появляется прохождение сигнала от другого слоя ионосферы. (Рисунок 4)
До 09:53 прохождение устойчивое. (Рисунки 5,6)
С 09:53 – до 10:02 постепенно прохождение ухудшается.
После 10:02 прохождение пропадает. (Рисунок 7)
На карте (Рисунок 8) показано расстояние между маяком в г.Шымкент и приемника г.Туркестан с местностью с различным рельефом, в связи с этим прямой видимости сигнала при мощностью маяка 2 Вт нет.
Заключение
Наблюдения показали, что вследствие нерегулярности появления сигнала тропосферные волноводы не могут обеспечить устойчивую работу радиолокационных средств (РЭС), например, радиосвязь на большое расстояние. Однако они могут послужить причиной создания взаимных помех от РЭС, работающих в сантиметровом диапазоне волн, разнесенных на большие расстояния.
Летний период температура поверхности земли прогрета и ионосфера находится выше чем зимой и отражения от слоя не попадает в зону проведения связи.
Таким образом, явление тропосферной рефракции может приводить как к улучшению, так и к ухудшению условий распространения радиоволн и обязательно подлежит учету.
Литература
https://habr.com/ru/post/158161/
nearspace.ru/tech/map/predict.html
Приложения
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8