Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ)

Частоты, исключая нижний и включая верхний пределНаименование частотыВолны исключая верхний и включая нижний пределНаименование волныДиапазон радио- частот< 300 мГцинфразвуковые> 103

Диапазоны электромагнитных волн: Мириаметровые волны (СДВ)

Информация

Математика и статистика

Другие материалы по предмету

Математика и статистика

Сдать работу со 100% гаранией

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 пределНаименование частотыВолны исключая верхний и включая нижний пределНаименование волныДиапазон радио- частот< 300 мГцинфразвуковые> 103 Мм300...3000 мГцГипернизкие103...102 МмГектомегаметровые3...30 ГцКрайненизкие102...10 МмКиломириаметровые30...300 ГцСверх низкие10...1 МмГектомириаметровые300...3000 ГцУльтра низкие103...102 кмДекамириаметровые3..30 кГцОчень низкие102...10 кмМириаметровые30...300 кГцНизкие10...1 кмКилометровые300...3000 кГцСредние103...102 мГектометровые3...30 МГцВысокие102...10 мДекаметровые30...300 МГцОчень высокие10...1 мМетровые300...3000 МГцУльтравысокие102...10 смДециметровые3...30 ГГцСверхвысокие10...1 смСантиметровые30...300ГГцКрайне высокие10...1 ммМиллиметровые300...3000 ГГцГипер высокие103...102 мкмДецимиллиметровыеОптический диапазон3...30 ТГцНизкие инфракрасные102...10 мкмСантимиллиметровые30...400 ТГцВысокие инфракрасные105...7,5 ·103 АМикрометровые400...750 ТГцВидимые (световые)7,5 ·103...4 ·103 А750...3000 ТГцНизкие ультрафиолетовые4·103...103 АДецимикрометровые3·103...3·104 ТГцВысокие ультрафиолетовые102...10 ммСантимикрометровыеВерхний диапазон электро- магнитного спектра3·104...3·105 ТГцНизкие рентгеновские10...1 ммНанометровые3·105...3·106 ТГцСредние рентгеновские103...102 пмДецинанометровые3·106...3·107 ТГцВысокие рентгеновские102...10 пмСантинанометровые3·107...3·108 ТГцНизкие Гамма (Альфа)10...1 пмПикометровые3·108...3·109 ТГцВысокие (Бета)103...102 фмДеципикометровые> 3·109 ТГцКосмические< 10 фмФемтометровые

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 500600 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 300400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы.

С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 7001000 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 20003000 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:

= 1 - (0/)2 , 0 = плазменная частота.

и условие отражения записывается в виде :

sin(0) =

где меньше или равна величины .

При этом высота отражения зависит от закона изменения с высотой как Ne, так и . 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 воздухполупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение сверхдлинных волн в ионосфере.

Расстояние от поверхности Земли до нижней границы ионосферы составляет 60100 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 другойионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис 1.2).

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волныволны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критические волныволны с предельной длиной волны, которые еще могут распространяться. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 2535 км, а критическойволна 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) = (15)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.

Рис.1.2. Распространение сверхдлинных волн в волноводе Земля ионосфераРис. 1.3. Зависимость напряженности электрического поля СДВ от расстояния:

1 без учета поглощения;

2 с учетом поглощения

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

Похожие работы

1 2 >