Радиоволны и их особенности: от генерации до затухания

Невидимые радиоволны ежесекундно пронизывают окружающую среду вокруг нас. Их излучают спутники, теле- и радиовышки, смартфоны, бытовая техника, медицинское оборудование и другие привычные современному человеку устройства.

Эта статья станет ключом к пониманию природы радиоволн и особенностей их распространения — от момента генерации до полного затухания. Эти знания имеют колоссальное практическое значение для работы и развития современных систем связи.

Что такое радиоволна: определение и место в электромагнитном спектре

Радиоволна — электромагнитное колебание, распространяющееся в пространстве со скоростью света (в ваккууме или воздухе) в диапазоне от нескольких ГЦ до, практически, бесконечности. Однако, можно ограничить область обсуждения диапазоном от сотен кГц до нескольких ГГц, используемым человечеством для передачи информации на расстояния и радиолокации. На шкале электромагнитных волн это область СВЧ, радиоволн и некоторая часть длинных волн. Именно эта часть спектра генерируется и принимается антеннами, а не полупроводниковыми детекторами.

Любая радиоволна описывается двумя взаимозависимыми характеристиками: частотой и длиной волны. Частота показывает сколько полных колебаний совершает электромагнитное поле в секунду. Длина волны равняется расстоянию между двумя ближайшими точками волны, колеблющихся в одинаковой фазе.

Связь между частотой и длиной волны определяется формулой:

λ = c/f,

где λ — длина волны,

с — скорость света,

f — частота.

Из связи между частотой и длиной волны следует, что чем больше частота, тем меньше длина волны. 

Также волны могут быть разной поляризации, которая определяет ориентацию вектора напряженности электрического поля в пространстве по отношению к поверхности земли. К основным типам поляризации волн относятся:

• Линейная — вектор электрического поля колеблется в одной плоскости (вертикальной или горизонтальной).
• Эллиптическая — конец вектора электрического поля описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.
• Круговая — частный случай эллиптической поляризации, когда конец вектора электрического поля описывает круг.

Диапазоны радиоволн: от длинных до СВЧ

Радиоволновый диапазон можно разделить на поддиапазоны, каждый из которых имеет свое название, обозначение и характерные особенности.

Как генерируются радиоволны: источник, колебания и роль антенны

Основа любого радиопередатчика — генератор переменного тока, который создает переменный электрический ток высокой частоты. В простейшем случае он представляет собой колебательный контур — замкнутую цепь из катушки и конденсатора.

Когда переменный ток высокой частоты проходит через антенну, он создает вокруг нее переменное магнитное поле, которое в свое очередь порождает переменное электрическое, и так далее.

Излучение происходит в момент, когда электроны ускоряются или замедляются в проводнике (свойство переменного тока) и часть их электромагнитной энергии «отрывается» от проводника и уходит в пространство в виде самостоятельной волны.

Размеры и типы антенн зависят от задач: для большой дальности (космос) - параболические антенны, обеспечивающие прием даже самого слабого сигнала. В мобильных телефонах - внутренние антенны, интегрированные в корпус (цель - максимальная компактность, много частотных диапазонов/стандартов связи при приемлемых, но не выдающихся характеристиках и чувствительности). В радиолокационных системах антенны либо физически подвижны, либо применяются фазированные антенные решетки для электрического сканирования.

Мини-пример: передатчик → антенна → волна. Передатчик создает переменный высокочастотный ток, который попадает в фидер и с помощью согласующего устройства передается в антенну с наибольшей эффективностью. Под действием тока в антенне возникает переменное электромагнитное поле, которое излучает радиоволны в пространство.

Принцип работы радиосвязи: модуляция, канал и приём

Принцип работы радиосвязи состоит в приёме и передаче информации с помощью радиоволн. Процесс включает в себя модуляцию, передачу через канал связи и прием с последующей демодуляцией.

Перед началом передачи создается высокочастотный сигнал — несущая волна. Информация, которую мы планируем передать, преобразуется в электрический сигнал. Процесс модуляции состоит в том, чтобы «посадить» информационный сигнал на несущую волну, путем изменения ее амплитуды, частоты или фазы. Антенна излучает полученный модулированный сигнал в пространство (эфир) по каналу связи, ограниченному диапазоном частот.

Приемная антенна улавливает электромагнитные волны. Радиоприемник настраивается на нужную частоту, фильтруя помехи и остальные сигналы. Происходит процесс демодуляции — из модулированного сигнала извлекается полезная информация.

Распространение радиоволн: основные механизмы

Прямая видимость и радиогоризонт (когда работает «напрямую»)

Простейший механизм распространения радиоволны —  прямая видимость. Случай, когда волна распространяется прямолинейно от передатчика к приемнику, не встречая на своем пути препятствий. Основной тип передачи коротких и ультракоротких волн, используемых в сотовой связи, Wi-Fi, Bluetooth и телевидении, так как при встрече с препятствиями они быстро затухают за счет низкой проникающей способности.

Максимальное расстояние прямой видимости определяется радиогоризонтом — положением точек, в которых прямые лучи от антенны проходят по касательной к поверхности Земли. Чем выше расположены антенны, тем дальше уходит горизонт.

Отражение радиоволн (земля/вода/здания, базово про ионосферу)

Встречая на своем пути препятствия, радиоволна может отражаться от них подобно тому, как свет отражается от зеркала или воды. Этот механизм используется для передачи информации на большие расстояния, за счет того, что волна может «перешагивать» препятствия. Однако могут возникать и побочные явления, особенно при плотной городской застройке, в виде многолучевости и рассеяния.

Отражение от ионосферы представляет особый интерес. Для коротких волн верхние слои атмосферы, насыщенные заряженными частицами, становятся гигантским природным зеркалом. Отражаясь от ионосферы и поверхности Земли, короткие волны могут многократно «скакать» по планете, обеспечивая связь между континентами.

Преломление и дифракция (почему огибает препятствия)

Помимо отражения волны могут плавно менять направление или огибать препятствия. Такое свойство обеспечивают явления:

• Дифракция. Если на пути волны встречается препятствие (холм, здание, край земной поверхности), то она может его огибать, но все зависит от соотношения длины волны и размера препятствия. Длинные волны спокойно могут огибать холмы и даже горы, что применимо для больших расстояний. Короткие практически не огибают углы, и создают тени (мертвые зоны), подобно свету.
• Преломление (рефракция). Возникает из-за неоднородности реальных сред, состоящих из участков с разными свойствами, что приводит к плавному изменению направления распространения радиоволн.

Рассеяние/многолучёвость (почему бывают замирания сигнала)

При столкновении с неоднородностями среды, метеообразованиями, рельефом и искусственными объектами возникает явление рассеяния радиоволн. В этот момент они не отражаются зеркально, а разбиваются на несколько мелких вторичных волн.

В реальных условиях сигнал редко распространяется прямолинейно. Почти всегда он разбивается на маленькие копии и приходит в приемную антенну разными путями. Это явление называется многолучевостью. В точке приема они могут как усиливать друг друга (при совпадении фаз), так и гасить. Такое взаимное гашение называется интерференционным замиранием.

Чтобы избежать замирания сигнала, в современных системах связи используется несколько антенн сразу (MIMO) и более сложные алгоритмы обработки сигналов.

Скорость распространения радиоволн и влияние среды

Скорость распространения радиоволн зависит от среды, в которой они распространяются. В  вакууме радиоволны распространяются со скоростью света c = 3*10^8 м/с. У воды показатель преломления равен 1,33, то есть волнам в 1,33 раза сложнее проходить через среду и скорость в 1,33 раза меньше. В воздухе скорость распространения радиоволн соответствует скорости в вакууме, так как у воздуха показатель преломления равен 1. Показатели преломления зависят от диэлектрической и магнитной проницаемости среды, которые характеризуют насколько легко может распространяться сигнал.

Скорость передачи информации

Скорость передачи информации напрямую зависит от несущей частоты волны. Чем больше несущая частота, тем шире может быть занимаемая полоса, а значит 一 тем больше объем информации, которую можно перенести за единицу времени, и тем выше пропускная способность линии.

С развитием технологий и обострением борьбы за радиоэфир низкие частоты оказались сильно забиты. Появилась потребность в использовании коротких, ультракоротких и миллиметровых волн, которые плохо справляются с препятствиями, но выдают гигабитные скорости при передаче больших объемов информации за счет широкого диапазона частот, который можно разбить на огромное количество «просторных коридоров», что позволяет обслуживать плотно загруженные абонентские сети.

Затухание радиоволн: почему сигнал «умирает»

Каким бы мощным не был передатчик, в итоге сигнал ослабевает настолько, что приемник перестает его различать на фоне собственных шумов. Этот процесс называется затуханием и возникает по ряду причин:

• Геометрическое расхождение (с ростом расстояния) или затухание в свободном пространстве. Энергия сигнала убывает пропорционально квадрату расстояния от источника. Это фундаментальный закон, не зависящий от среды: волна просто «расползается» по сфере, а антенне достается только какая-то ее часть.
• Поглощение средой (атмосфера, дождь/влажность). Атомы, молекулы среды, капли воды и частицы пыли способны поглощать энергию радиоволны, преобразуя ее в тепло.
• Потери на препятствиях/в застройке. Прохождение через стены зданий, окна, другие препятствия может погасить энергию как частично, так и полностью ее подавить. Массивные объекты создают зоны тени, куда волна может попасть только за счет дифракции, которая также значительно ослабляет радиоволну.

Все описанные механизмы затухания напрямую зависят от длины волны, следовательно и от частоты. Поэтому так важно учитывать эти параметры при проектировании радиосистем. Низкочастотные волны (длинные, километровые) легко огибают препятствия и подходят для передачи на большие расстояния, но обладают низкой скоростью и требуют огромных размеров антенн. Высокочастотные радиоволны (ультракороткие, метровые, дециметровые) преимущественно распространяются в пределах прямой видимости, легко затухают за горизонтом, легче поглощаются зданиями, но переносят большие объемы информации при компактных размерах антенн.  Сверхвысокочастотные (сантиметровые и миллиметровые) идеальны для 5G, Wi-Fi и сотовой связи, дают колоссальные скорости, но крайне чувствительны к препятствиям.

Применение радиоволн: связь, навигация, датчики и не только

Область применения радиоволн в современной радиосвязи довольно обширна и включает в себя следующие области применения: 

• Радио/ТВ
• Мобильная связь
• Wi‑Fi
• GPS/ГЛОНАСС
• RFID
• Радары
• Телеметрия
• Медицина
• Беспилотные транспортные средства (БПЛА)
• Промышленность и автоматизация
• Метеорология
• Наука

Краткое резюме (вывод)

Таким образом, радиоволна, являясь частным случаем электромагнитного излучения, обладает сложным поведением на всех этапах существования — от генерации до затухания. На пути распространения волна встречает множество препятствий, которые меняют ее направление и поглощают энергию. Проектирование радиотехнических систем 一 трудоемкий процесс, который требует кропотливого выбора размера, формы, материала и других характеристик антенны. Для сокращения числа физических прототипов и затрат на их проверку существуют различные CAE-программы, например САПР «ГАММА», которые предоставляют удобную виртуальную среду для проектирования, моделирования и оптимизации сложных СВЧ-устройств.

 Мини-FAQ 

• «Радиоволны простыми словами — это…»

Радиоволна — частный случай электромагнитного колебания, распространяющегося в пространстве в полосе частот от 3 кГЦ до 3 ТГц.

• «С какой скоростью движутся радиоволны?»

В вакууме и воздухе радиоволны распространяются со скоростью света с = 3*10^8 м/с, в остальных средах в зависимости от коэффициента преломления

• «Почему в городе связь хуже?»

В городе сигнал на своем пути встречает множество препятствий, которые мешают его распространению. В густонаселенных городах причина также может быть в перегрузке сети.

• «Что сильнее затухает: низкие или высокие частоты?» (общая информация, без формул)

Высокие частоты затухают гораздо быстрее, чем низкие. Это связано со связью частоты и длины волны: на высоких частотах короткие волны, а на низких — длинные. Длинным волнам гораздо легче огибать препятствия и проходить через различные среды, в то время как короткие затухают практически мгновенно.