Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ) (стр. 1 из 2)

Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ)

Прошло уже более века с момента, когда в 1886 г. немецкий ученый Г.Герц построил первые в мире передатчик и приемник электромагнитных волн. Они были весьма примитивны, однако сослужили очень важную роль для науки.

Электромагнитной волной называется процесс распространения переменного электромагнитного поля в свободном пространстве с конечной скоростью (скоростью света). Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н - вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга.

В соответствии с длинами волн (l) весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей – от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн. Однако такое деление отражает зависимость не только от l, но и от способов генерации и обнаружения соответствующего электромагнитного излучения. Например, нет никакого принципиального различия между микроволновым и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, его называют микроволновым, а если оно испускается инфракрасным источником – инфракрасным.

Международная классификация электромагнитных волн:

Частоты, исключая нижний и включая верхний предел	Наименование частоты	Волны исключая верхний и включая нижний предел	Наименование волны
Диапазон радио- частот	< 300 мГц	инфразвуковые	> 103 Мм
	300...3000 мГц	Гипернизкие	103...102 Мм	Гектомегаметровые
	3...30 Гц	Крайненизкие	102...10 Мм	Киломириаметровые
	30...300 Гц	Сверх низкие	10...1 Мм	Гектомириаметровые
	300...3000 Гц	Ультра низкие	103...102 км	Декамириаметровые
	3..30 кГц	Очень низкие	102...10 км	Мириаметровые
	30...300 кГц	Низкие	10...1 км	Километровые
	300...3000 кГц	Средние	103...102 м	Гектометровые
	3...30 МГц	Высокие	102...10 м	Декаметровые
	30...300 МГц	Очень высокие	10...1 м	Метровые
	300...3000 МГц	Ультравысокие	102...10 см	Дециметровые
	3...30 ГГц	Сверхвысокие	10...1 см	Сантиметровые
	30...300ГГц	Крайне высокие	10...1 мм	Миллиметровые
	300...3000 ГГц	Гипер высокие	103...102 мкм	Децимиллиметровые
Оптический диапазон	3...30 ТГц	Низкие инфракрасные	102...10 мкм	Сантимиллиметровые
	30...400 ТГц	Высокие инфракрасные	105...7,5 ·103 А	Микрометровые
	400...750 ТГц	Видимые (световые)	7,5 ·103...4 ·103 А
	750...3000 ТГц	Низкие ультрафиолетовые	4·103...103 А	Децимикрометровые
	3·103...3·104 ТГц	Высокие ультрафиолетовые	102...10 мм	Сантимикрометровые
Верхний диапазон электро- магнитного спектра	3·104...3·105 ТГц	Низкие рентгеновские	10...1 мм	Нанометровые
	3·105...3·106 ТГц	Средние рентгеновские	103...102 пм	Децинанометровые
	3·106...3·107 ТГц	Высокие рентгеновские	102...10 пм	Сантинанометровые
	3·107...3·108 ТГц	Низкие Гамма (Альфа)	10...1 пм	Пикометровые
	3·108...3·109 ТГц	Высокие (Бета)	103...102 фм	Деципикометровые
	> 3·109 ТГц	Космические	< 10 фм	Фемтометровые

Мириаметровыми (или сверхдлинными) волнами (СДВ) называются электромагнитные волны очень низкой частоты (3 – 30 кГц), длины которых в вакууме лежат в интервале 100 – 10 км. Мощным естественным источником радиоволн этого диапазона являются молниевые разряды.

Для СДВ длина волны сравнима с расстоянием от поверхности Земли до ионосферы, поэтому они могут распространяться по сферическому волноводу Земля — ионосфера на очень большие расстояния с незначительным ослаблением (атмосферный волновод). Характерной особенностью СДВ при их распространении вокруг Земли является слабое затухание поля с удалением от излучателя и высокая его фазовая и амплитудная стабильность (по сравнению с радиоволнами более высоких частот) при регулярных и случайных вариациях свойств трассы распространения (суточные и сезонные изменения атмосферы, сезонные изменения свойств земной поверхности, ионосферные возмущения и т.д.). Это и обуславливает применение СДВ в глобальных радиосистемах высокой точности и надежности, несмотря на необходимость использования излучающих антенных систем больших размеров и более низкую скорость передачи информации. Кроме того радиоволны этого диапазона обладают большой глубиной проникновения в проводящие среды, что делает возможным их применение для связи с погруженными в морскую воду и в толщу земли объектами.

Особенности распространения сверхдлинных волн.

В диапазонах радиоволн с частотой менее 30 кГц для всех видов земной поверхности токи проводимости существенно преобладают над токами смещения, благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Длинные волны хорошо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли.

Оба эти фактора обусловливают возможность распространения сверхдлинных волн на расстояние порядка 3000 км. При этом для расстояния 500—600 км напряженность лектрического поля можно определять формулой Шулейкина-Ван-дер-Поля :

Em = |W|

а для больших расстояний расчет ведут по законам дифракции.

Начиная с расстояния 300—400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы.

С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000 км напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля (рис 1.1).

Рис. 1.1. Характер изменения напряженности электрического поля СДВ с расстоянием (Р =1 кВт)

На расстоянии свыше 2000—3000 км земная и ионосферная волны не проявляются по отдельности. Распространение происходит подобно распространению в волноводе, стенками которого служат поверхность Земли и нижняя граница ионосферы.

Диэлектрическая проницаемость ионосферы в этих диапазонах волн определяется выражением:

e = 1 - (w0/w)2 , w0 = – плазменная частота.

и условие отражения записывается в виде :

sin(q0) =

где w меньше или равна величины n.

При этом высота отражения зависит от закона изменения с высотой как Ne, так и n. Установлено, что концентрация электронов Ne распределена по высоте неравномерно : имеются области или слои, где она достигает максимума. Расчеты и эксперименты показывают, что днем отражение волн может происходить на нижней границе слоя Е (область на высоте 150 км), а ночью — на нижней границе слоя D (область на высоте 90 км). Электропроводность в этой области ионосферы для сверхдлинных волн довольно значительная (но в тысячи раз меньше, чем электропроводность сухой земной поверхности), и токи проводимости оказываются по величине того же порядка, что и токи смещения. Следовательно, нижняя область ионосферы для сверхдлинных волн обладает свойствами полупроводника.

На сверхдлинных волнах электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит, как на границе раздела воздух—полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение сверхдлинных волн в ионосфере.

Расстояние от поверхности Земли до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км. Это расстояние имеет тот же порядок, что и длина СДВ, так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой—ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис 1.2).

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны—волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критические волны—волны с предельной длиной волны, которые еще могут распространяться. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25—35 км, а критической—волна длиной около 100 км.

В сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости света невелико, примерно (vф/c - 1) = (1¸5)×10-3. Однако фазовая скорость меняется с расстоянием, она зависит от электронной плотности и числа столкновений электронов с молекулами в той области ионосферы, где происходит отражение радиоволн. Это приводит к нестабильности фазы волны главным образом в утренние и вечерние часы, когда меняется высота отражения длинных волн, что необходимо учитывать при работе длинноволновых радионавигационных систем.

Методы расчета напряженности поля СДВ на больших расстояниях от передатчика основаны на рассмотрении картины поля ионосферного волновода. Действительно, вся электромагнитная энергия, излученная антенной, оказывается заключенной между двумя сферами и распространяется между ними по всем направлениям, поскольку в диапазоне СДВ, как правило, применяются ненаправленные антенны (см. рис.1.2 ). С удалением от антенны кольцевое сечение сферического волновода увеличивается, пока внутренний радиус кольца, в котором распространяется волна, не достигнет величины радиуса земного шара. При дальнейшем увеличении расстояния площадь кольца вновь уменьшается и энергия волны концентрируется. Характер изменения напряженности электрического поля длинных волн с расстоянием при большом удалении от передатчика изображен на рис. 1.3 сплошной линией. Пунктирная кривая показывает характер изменения напряженности электрического поля в сферическом волноводе с идеально проводящими стенками.