Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ)

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:

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.

Расчет напряженности электрического поля сверхдлинных волн обычно ведут по эмпирическим формулам, чаще всего по формуле Остина. По формуле Остина можно рассчитать напряженности электрического поля длинных волн в дневное время для расстояний до 16000—18000 км над морем и сушей, причем в последнем случае начиная с расстояний 2000—3000 км.

Формула Остина имеет следующий вид:

Em = ××e - ×r (км) , где угол q обозначен на рис. 1.2

Наличие в знаменателе этой формулы величины отражает зависимость напряженности электрического поля от расстояния, изображенную на рис.1.3 пунктирной кривой. Как видно из рис.1.3, на расстояниях от передатчика, соответствующих антиподным (диаметрально противоположным) точкам земного шара, наблюдается существенное увеличение напряженности поля. Это явление называется эффектом антипода.

Основное преимущество сверхдлинных волн — большая устойчивость напряженности электрического поля: сила сигнала на линии связи мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям. Достаточную для приема напряженность электрического поля можно обеспечить на расстоянии более 20 000 км, но для этого требуются мощные передатчики и громоздкие антенны.

Недостатком СДВ является невозможность передачи широкой полосы частот, необходимой для трансляции разговорной речи или музыки. В настоящее время сверхдлинные радиоволны применяются главным образом для телеграфной связи на дальние расстояния, а также для навигации.

Условия распространения сверхдлинных радиоволн исследуют, наблюдая за грозами. Грозовой разряд представляет собой импульс тока, содержащий колебания различных частот—от сотен герц до десятков мегагерц. Основная часть энергии импульса грозового разряда приходится на диапазон колебаний, соответствующий сверхдлинным волнам. Колебания от места возникновения распространяются во все стороны, причем волны различной длины при распространении испытывают различное поглощение и приходят в разной фазе. В результате импульс, пришедший на значительное расстояние от места разряда, искажается. По искажению импульса изучают свойства сферического волновода Земля — ионосфера.

В диапазоне длинных волн наблюдается своеобразная помеха — “свистящий атмосферик”. Он воспринимается на слух как сигнал, частота которого меняется во времени за (0,5—1 с примерно от 400 до 8000 Гц). Источником “свистящего атмосферика” является грозовой разряд, возбуждающий сверхдлинные волны. При распространении волны в ионизированном газе в направлении силовых линий постоянного магнитного поля при f < fH = 1.4 МГц не происходит отражения волны от ионосферы, поскольку диэлектрическая проницаемость ионосферы всегда больше единицы. Волна распространяется вдоль силовых линий магнитного поля Земли, пронизывает всю толщу ионосферы и может быть принята на Земле на другом конце силовой линии магнитного поля, как схематически показано на рис.1.4.

Рис. 1.4. Схема распространения “свистящих атмосфсриков”:

1 — грозовой разряд; 2 — силовые линии магнитного поля Земли;

3—путь короткого “свистящего атмосферика”;

4—путь длинного “свистящего атмосферика”

Сигнал, отраженный от земной поверхности, проходит обратный путь и может быть принят в месте возникновения грозового разряда. Время запаздывания таких сигналов составляет 2—3 с, откуда следует, что они проходят путь в многие тысячи километров, удаляясь от Земли на расстояние 10000—15000 км. Это явление привлекло внимание исследователей потому, что наблюдение за “свистящими атмосфериками” позволяет получить сведения о состоянии магнитного поля Земли и плотности среды на большом расстоянии от ее поверхности.

Использование СДВ.

СДВ широко используются в системах радиосвязи, радионавигации, передаче сигналов эталонных частот и единого времени, а также в геофизических исследованиях электрических свойств Земли, земной ионосферы и магнитосферы Земли.

Связь на сверхдлинных волнах для подводного флота имеет важнейшее значение. Сверхдлинные волны могут проникать в воду на большую глубину и подводные лодки могут принимать сообщения на сверхдлинных волнах не всплывая. Это очень важно для подводных лодок, особенно находящихся на боевом патрулировании, так как всякое всплытие демаскирует лодку. Поэтому подводные лодки обычно только принимают сообщения по СДВ-связи. Даже всплытие для передачи сообщения на коротких или ультракоротких волнах лодки выполняют только по приказу, полученному на сверхдлинных волнах.

Сверхдлинные волны отражаются ионосферой Земли на высоте 60-100 км, поэтому никакой спутник не в состоянии их обнаружить.

Станции ВМФ (которые обеспечивают связь с подводными лодками в подводном положении) можно также использовать для прогнозирования сильных землетрясений в различных точках земного шара. Дело в том, что сверхдлинные волны, изучаемые этой станцией, пронизывают не только толщу воды, но и земные недра. В результате анализа прохождения этих волн в земных недрах можно фиксировать изменения напряжения на стыках тектонических пластов и другие параметры. Имея такую картину, ученые-сейсмологи смогут разработать методику определения координат предстоящего землетрясения, его силы и ориентировочного времени. СДВ-станции могут также применяться для исследования геодинамики и поиска полезных ископаемых.

Список литературы

Краснушкин П.Е., Яблочкин Н.А., Теория распространения сверхдлинных волн, 2-е изд. М. 1963.

Макаров Г.И., Новиков В.В., Орлов А.Б., Современное состояние исследований распространения СДВ в волноводном канале Земля-ионосфера, "Изд. ВУЗов. Радиофизика", 1970, т.13, № 3, с.321.

Ельянов М.М. Практикум по радиоэлектронике. Москва: "Просвещение", 1971. - 336 с.