§ 21. Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв’язку. Радіолокація

Звернувшись до шкали електромагнітних хвиль (див. рис. 20.1), побачимо, що найбільша її ділянка належить радіохвилям. Оскільки частоти цих хвиль значно відрізняються, то різняться і їхні властивості. Докладніше про різні види радіохвиль ви дізнаєтесь у старшій школі, а зараз зупинимося лише на застосуванні ультракоротких радіохвиль (завдовжки від кількох сантиметрів до кількох метрів).

1. З’ясовуємо особливості поширення ультракоротких радіохвиль

За своїми властивостями ультракороткі радіохвилі дуже близькі до світлових променів: вони поширюються в межах прямої видимості, їх можна посилати вузькими пучками. Саме ці властивості забезпечили широке застосування ультракоротких радіохвиль у радіолокації, бездротовому зв’язку, супутниковому телебаченні. Вузький промінь менше розсіюється (що дозволяє застосовувати менш потужні передавачі), його простіше приймати.

2. Дізнаємося, чому мобільний радіозв’язок називають стільниковим

Стільниковий зв’язок — один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Для стільникового зв’язку використовують електромагнітні хвилі частотою від 450 до 3000 МГц. Головна особливість такого зв’язку полягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на невеликі ділянки — стільники (їх так називають, оскільки вони мають форму шестикутника). Кожен стільник має площу близько 25 км 2 і обслуговується окремою базовою станцією. Стільники, частково перекриваючись, утворюють мережу (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Основні складові стільникової мережі: стільникові телефони, базові станції, центри комутації

Кожен із вас уміє користуватися мобільним телефоном. З’ясуємо, як він здійснює зв’язок. Коли ви вмикаєте телефон, він починає «прослуховувати» ефір і вловлює сигнал базової станції того стільника, де ви на даний момент перебуваєте. Після цього телефон випромінює радіосигнал — посилає станції свій ідентифікаційний код. Відтоді телефон і станція підтримуватимуть радіоконтакт, періодично обмінюючись сигналами.

Але ж ви не завжди перебуваєте в одному місці, і якщо з часом ви опинитеся в іншому стільнику, ваш телефон налагодить зв’язок із базовою станцією цього іншого стільника. Стільники частково перекриваються, тому ви навіть не помітите, що вас почала обслуговувати інша станція. А от якщо телефон не зможе «знайти» найближчу станцію і передати їй свій код, зв’язок обірветься і на дисплеї висвітиться, що мережа відсутня.

Описаними процесами «керують» центри комутації, які пов’язані з базовими станціями дротовими каналами зв’язку. Власне центр комутації безперервно «відстежує» місце перебування вашого мобільного телефону. Він «передає» вас, як естафетну паличку, від однієї базової станції до іншої, коли ви «подорожуєте» зі стільника в стільник. Саме через центри комутації здійснюється вихід на інші мережі: ви можете зателефонувати товаришеві, телефон якого обслуговується іншим оператором, зробити дзвінок на стаціонарний телефон, скористатись Інтернетом тощо.

3. Вивчаємо радіолокацію

Властивість радіохвиль відбиватися від металів установив Г. Герц. Згодом було з’ясовано, що електромагнітні хвилі відбиваються від будь-яких тіл, при цьому чим краще тіло проводить електричний струм, тим більшою буде енергія відбитої хвилі. На відбиванні радіохвиль ґрунтується радіолокація.

Радіолокація — спосіб виявлення, розпізнання та визначення місця розташування об’єктів за допомогою радіохвиль.

Радіолокаційна установка — радіолокатор (радар) — забезпечує випромінювання радіохвиль, а також приймання радіохвиль, які відбиваються від об’єкта (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Принцип роботи радіолокатора

Якщо радіохвилі випромінювати в усіх напрямках або широким пучком, то вони відбиватимуться одночасно від багатьох об’єктів і розпізнати, де розташований досліджуваний об’єкт, наприклад літак, буде неможливо. Тому радіолокатор посилає хвилі напрямлено та вузьким пучком, а виявлення відбитого сигналу свідчить, що досліджуваний об’єкт розташований у напрямку поширення радіохвиль (рис. 21.3).

Рис. 21.3. Випромінювання вузького напрямленого пучка ультракоротких радіохвиль і приймання відбитого сигналу забезпечує параболічна антена радіолокатора

Розрізняють два основні режими роботи радіолакатора. У режимі пошуку (сканування) антена радіолакатора весь час сканує простір (наприклад, повертається по горизонталі й одночасно рухається вниз-угору). У режимі спостереження антена весь час напрямлена на обраний об’єкт.

4. Дізнаємося, як працює радіолокатор

Радіосигнал, який посилає радіолокатор, являє собою короткочасний (тривалістю мільйонні частки секунди), але дуже потужний імпульс. Щойно імпульс послано, антена радіолокатора автоматично перемикається на прийом: радіолокатор «слухає» ефір — чекає на відбитий сигнал. Приймач має високу чутливість (відбитий радіосигнал досить слабкий), тому на час випромінювання імпульсу його відключають, інакше апаратура зіпсується.

Через певний інтервал часу (значно більший за тривалість імпульсу) антена знову перемикається на радіопередавач і радіолокатор посилає наступний імпульс.

Відстань s до об’єкта визначають за часом t проходження радіоімпульсу до цілі й назад. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі практично дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі (с = 3 • 10 8 м/с), тому:

5. Застосовуємо радіолокацію

Радіолокатори було створено виключно для озброєння армій — для виявлення літаків супротивника (рис. 21.4).

Рис. 21.4. Сучасний «літаючий радар» може виявити літак супротивника на відстані 540 км

Із часом радіолокація набула широкого застосування в інших галузях. Сучасні повітряні, морські й океанські судна обов’язково оснащені радіолокаторами. За допомогою радіолокатора штурман судна може знайти вільні проходи між хмарами або айсбергами, уникнути зіткнення з іншими суднами в негоду, уточнити курс, визначити місце свого розташування (рис. 21.5).

Рис. 21.5. Радар сучасного морського судна

Радіолокаційні станції в аеропортах допомагають здійснити посадку повітряних суден, а станції, встановлені вздовж узбережжя, забезпечують безпечний вхід кораблів у порт.

Радіолокацію застосовують у наукових дослідженнях, метрологи, сільському та лісовому господарствах. Вона допомагає скласти карти рельєфу земної поверхні, дослідити щільність рослинного покриву, виявити лісову пожежу, визначити склад ґрунту тощо.

Важливе значення має радіолокація в космічних дослідженнях. Запуски та посадки космічних апаратів неможливі без використання радіолокаторів. За допомогою радіолокації було уточнено відстані до Місяця, Венери, Марса. Радіолокатори, встановлені на штучних супутниках Венери, допомогли проникнути крізь товщу хмар цієї планети та визначити її рельєф.

Підбиваємо підсумки

Останнім часом особливо широкого застосування набули хвилі ультракороткого діапазону: за допомогою спеціальних антен їх можна спрямувати вузьким пучком, який менше розсіюється, а це дозволяє використовувати менш потужні передавачі. Ультракороткі радіохвилі застосовують у стільниковому зв’язку, супутниковому телебаченні, радіолокації.

Стільниковий зв’язок — один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Контрольні запитання

1. У чому полягає основна перевага ультракоротких радіохвиль? 2. Що таке стільниковий зв’язок? Як він організований? 3. Що таке радіолокація? На чому вона ґрунтується? 4. Опишіть принцип роботи радіолокатора. 5. Як за допомогою радіолокації визначають місце розташування об’єкта (відстань до об’єкта, напрямок, в якому він розташований)? 6. Де застосовують радіолокацію?

1. На якій відстані виявлено об’єкт, якщо відбитий сигнал повернувся через 20 мкс після посилання?

2. Радіолакатор працює на частоті 6 • 10 8 Гц. Радіохвилю якої довжини він випромінює?

3. Особливості ультракоротких радіохвиль (практично не відбиваються від йоносфери, їхня енергія помітно втрачається тільки поблизу поверхні Землі, їх можна спрямувати вузьким пучком) забезпечили їх широке застосування. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, як організовані супутникове телебачення та супутниковий зв’язок.

4. Застосування радіолокаційних станцій для виявлення воєнних машин (літаків, кораблів) спричинило активний пошук способів зниження помітності воєнної техніки. Так з’явилася стелс-технологія. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чи вдалося хоча б частково «сховати» воєнні машини. Якщо вдалося, то як?

Дистанційне зондування Землі

Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) — це спостереження й вивчення поверхні Землі за допомогою приладів, розміщених від неї на далекій відстані (наприклад, на супутниках або літаках). Де використовують ДЗЗ?

Із технічної точки зору, найпростіша галузь застосування ДЗЗ — прогноз погоди. На цьому прикладі й розповімо, як працює система.

Зазвичай телевізійні прогнози погоди супроводжуються знімками з космосу (рис. 1). Проте яскраві картинки на телеекрані — це, звісно, не все, що потрібно для прогнозу погоди!

Рис. 1. Телевізійний прогноз погоди з використанням супутникових знімків

Супутник не може сфотографувати всю поверхню Землі відразу. Як фари автомобіля освітлюють тільки дорогу, залишаючи узбіччя в темряві, так і супутник, облітаючи навколо Землі, «бачить» тільки певну смугу. Ширина цієї смуги може коливатися від 7 до 1500 км і залежить від необхідної точності обстеження: чим більш детальна інформація одержується, тим вужча смуга.

Під час наступного оберту супутник «оглядає» суміжну смугу і так далі. Якщо об’єднати отримані дані від кількох таких смуг, можна одержати «картинку» для великої території, наприклад для всієї нашої країни (рис. 2).

Рис. 2. Карта України із супутника

Супутник передає отриману інформацію на приймальні антени; інформацію обробляють і перетворюють на звичні фотографії. Потім інформація передається метеорологам, які об’єднують дані з космосу з результатами наземних спостережень і на основі складних математичних моделей прогнозують температуру та стан атмосфери на день, тиждень, місяць.

Для аналізу стану поверхні Землі використовують цілу «армію» супутників. Більшість із них одержують дані в діапазоні видимих оком електромагнітних хвиль, але є й такі, які зондують поверхню електромагнітними пучками в діапазоні хвиль сантиметрових довжин (НВЧ-випромінювання), а також хвиль із більшою довжиною (понад 1 м).

Одержанням і обробкою даних від супутників займаються різні організації; в нашій країні роботу таких організацій координує Державне космічне агентство України.

Окрім прогнозу погоди дані з космосу використовують для аналізу стану снігового покриву, прогнозу паводків, пожеж, посухи, землетрусів, оцінки майбутніх урожаїв і для багато чого іншого. Наприклад, щоб запобігти аварії через зіткнення з льодами, капітанам кораблів важливо знати льодову обстановку. Такі дані теж одержують із космосу.

Радіохвилі

Всі електромагнітні випромінювання, довжина хвилі якого більше полумілліметра , відноситься до радіохвилях. Радіохвилях відповідає область частот від 3 · 103 до 3 · 1014 Гц. Виділяють область довгих хвиль понад 1000 м, середніх – від 1 000 м до 100 м, коротких – від 100 м до 10 м і ультракоротких – менше 10 м.
Радіохвилі можуть практично без втрат поширюватися на великі відстані в земній атмосфері. З їх допомогою передаються радіо- і телевізійні сигнали. На поширення радіохвиль над земною поверхнею впливають властивості атмосфери. Роль атмосфери визначається наявністю в її верхніх шарах іоносфери. Іоносфера – це іонізована верхня частина атмосфери. Особливістю іоносфери є висока концентрація вільних заряджених частинок – іонів і електронів. Іоносфера для всіх радіохвиль, починаючи від наддовгих (λ ≈ 104 м) і до коротких (λ ≈ 10 м), є відбиває середовищем. Завдяки відображенню від іоносфери Землі, радіохвилі метрового і кілометрового діапазону застосовуються для радіомовлення та радіозв’язку на великих відстанях, забезпечуючи передачу сигналу на скільки завгодно великі відстані в межах Землі. Втім, сьогодні цей вид зв’язку відходить у минуле завдяки розвитку супутникового зв’язку.

Рис. 1.11. Параболічні спрямовані антени
Хвилі дециметрового діапазону не можуть огинати земну поверхню, що обмежує зону їх прийому областю прямого поширення, яка залежить від висоти антени і потужності передавача. Але і в цьому випадку роль відбивачів радіохвиль, яку відносно метрових хвиль грає іоносфера, беруть на себе супутникові ретранслятори.
Електромагнітні хвилі радіохвильових діапазонів испускаются антенами радіостанцій, в яких порушуються електромагнітні коливання за допомогою генераторів високої і надвисокої частоти (рис. 1.11).
Однак, у виняткових випадках, хвилі радіочастот можуть створюватися мікроскопічними системами зарядів, наприклад, електронами атомів і молекул. Так, електрон в атомі водню здатний випромінювати електромагнітну хвилю з довжиною (такий довжині відповідає частота Гц, яка належить мікрохвильового ділянці радіодіапазону). У незв’язаному стані атоми водню знаходяться в основному в міжзоряному газі. Причому кожен з них випромінює в середньому один раз за 11 мільйонів років. Тим не менш, космічне випромінювання цілком наблюдаемо, оскільки в світовому просторі розсіяно досить багато атомарного водню.

УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11 клас
АКАДЕМІЧНИЙ РІВЕНЬ

Мета уроку: ознайомити учнів із властивостями радіохвиль різної довжини і їх застосуванням.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

1. Принцип радіотелефонного зв’язку.

Відео-фрагменти фільму «Поширення радіохвиль».

Вивчення нового матеріалу

Закріплення вивченого матеріалу

2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Електромагнітні хвилі дуже різноманітні тому, що їхні властивості залежать від довжини хвилі. Герц у своїх дослідах одержав хвилі довжиною від 60 см до 6 м. У подальших дослідах інші фізики одержали й досліджували електромагнітні хвилі довжиною хвилі всього кілька міліметрів. Всі перераховані хвилі належать до діапазону радіохвиль.

Ø Радіохвилі — електромагнітні хвилі довжиною від 100 км (3 кГц) до 0,1 мм (3 ТГц).

Відповідно до Міжнародної угоди весь спектр радіохвиль, які застосовують у радіозв’язку, розділений на діапазони: довгі хвилі, середні хвилі, короткі хвилі й ультракороткі хвилі.

Під час використання електромагнітних хвиль для радіозв’язку як джерело, так і приймач радіохвиль найчастіше розташовуються поблизу земної поверхні. Форма й фізичні властивості земної поверхні, а також стан атмосфери сильно впливають на поширення радіохвиль.

Відповідно до сучасної теорії хвилі поширюються різними шляхами. Один шлях лежить уздовж поверхні Землі, яким поширюється так звана поверхнева (земна) хвиля. Вона порівняно швидко загасає через поглинання енергії всіма провідниками, що трапляються на її шляху.

Форма Землі обмежує дальність прийому поверхневих хвиль. Якби вони поширювалися строго прямолінійно, то радіозв’язок був би можливий тільки на відстані прямої видимості. Але оскільки залежно від висоти електричні й магнітні параметри атмосфери змінюються, поверхнева хвиля заломлюється, відхиляючись до Землі, її траєкторія викривляється й дальність прийому збільшується.

Перешкоди на поверхні Землі відбивають радіохвилі. За перешкодами може утворюватися радіо-тінь, куди хвиля не потрапляє. Але якщо довжина хвилі досить велика, то хвиля огинає перешкоду й радіо-тінь не утворюється. Потужні радіостанції, що працюють на довгих хвилях, забезпечують зв’язок на кілька тисяч кілометрів. На середніх хвилях зв’язок можливий у зоні до кількох сотень кілометрів, на коротких хвилях — лише в зоні прямої видимості.

Просторові хвилі поширюються від антени шляхом, що лежить під більшим або меншим кутом до поверхні Землі. На висоті близько 100-300 км хвилі стикаються із шаром повітря, іонізованого електромагнітним випромінюванням Сонця й потоком заряджених частинок, випромінюваних світилом. Цей шар називають іоносферою.

Іоносфера, що проводить електричний струм, відбиває радіохвилі довжиною хвилі, що перевищує 10 м, як звичайна металева пластина. Але здатність іоносфери відбивати й поглинати радіохвилі істотно змінюється залежно від часу доби й пір року.

Хвилі після відбиття в іоносфері знову потрапляють на Землю. Однак все залежить від кута, під яким хвилі входять в іоносферу. Якщо він перевищує деяку величину, хвилі проникають в іоносферу, проходять крізь неї й потім вільно поширюються в космічному просторі. І навпаки, якщо кут менше деякої граничної величини, хвиля під тим же кутом відбивається до Землі. Чим менше довжина хвилі, тим глибше хвиля проникає в іоносферу, а значить, відбивається з більшої висоти. Короткі хвилі поширюються на більші відстані тільки за рахунок багаторазових відбиттів від іоносфери й поверхні Землі. Саме за допомогою коротких хвиль можна здійснити радіозв’язок на будь-яких відстанях на Землі.

Особливості хвиль УКХ-діапазону (випромінювання вузьким пучком; поширення в зоні прямої видимості; незначна дальність поширення поблизу поверхні землі) забезпечили їх використання в стільниковому зв’язку.

Стільниковий зв’язок — один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Ключова особливість полягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на осередки (стільники), що визначаються зонами покриття окремих базових станцій (БС). Стільники частково перекриваються й разом утворюють мережу. На ідеальній (рівній й без забудови) поверхні зона покриття однієї БС являє собою коло, тому складена з них мережа має вигляд стільника із шестикутними осередками (стільниками).

Мережу становлять рознесені в просторі прийомопередавачі, що працюють у тому самому частотному діапазоні, і комутувальне обладнання, що дозволяє визначати поточне місце розташування рухомих абонентів і забезпечувати безперервність зв’язку під час переміщення абонента із зони дії одного прийомопередавача в зону дії іншого.

Основні складові стільникової мережі — це стільникові телефони й базові станції, які зазвичай розташовують на дахах будинків і вишках. Будучи включеним, стільниковий телефон прослуховує ефір, знаходячи сигнал базової станції. Після цього телефон посилає станції свій унікальний ідентифікаційний код. Телефон і станція підтримують постійний радіоконтакт, періодично обмінюючись пакетами.

Стільникові мережі різних операторів з’єднані одна з одною, а також зі стаціонарною телефонною мережею. Це дозволяє абонентам одного оператора робити дзвінки абонентам іншого оператора, а також телефонувати з мобільних телефонів на стаціонарні й зі стаціонарних на мобільні.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Чому радіохвилі можуть огинати Землю?

2. Чому утруднений зв’язок на коротких хвилях у гірській місцевості?

3. Який вплив чинить іоносфера Землі на поширення радіохвиль?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Що потрібно для переходу до прийому більше коротких хвиль: зближувати чи розсовувати пластини плоского конденсатора, увімкненого в коливальний контур?

2. Чи є істотним розходження між умовами поширення радіохвиль на Місяці й Землі?

3. Радіохвилі якого діапазону можуть бути прийняті без ретрансляції на протилежній стороні Землі?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. За якої частоти коливань радіопередавач випромінює електромагнітні хвилі довжиною 49 м? До яких хвиль (довгих, середніх чи коротких) належать ці хвилі?

2. Який період коливань у коливальному контурі, що випромінює радіохвилі з довжиною хвилі 300 м?

3. Чому дорівнює довжина хвилі, посланої радіостанцією, що працює на частоті 1400 кГц?

✵ Радіохвилі — електромагнітні хвилі довжиною від 100 км (3 кГц) до 0,1 мм (3 ТГц).

✵ Відповідно до сучасної теорії хвилі поширюються різними шляхами: поверхнева хвиля; просторова хвиля.

✵ Стільниковий зв’язок — один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

1. Підр-1: § 36 (п. 1, 2, 3, 4, 5); підр-2: § 18 (п. 1).

Рів2 № 12.16; 12.20; 12.21; 12.38.

Рів3 № 12.53, 12.54; 12.55; 12.56.