7.2. Радиолинии

Что представляет собой радиоволна? Обратимся к проводнику, по которому протекает ток, изменяющийся во времени подобно синусоиде. Вокруг проводника с током создается переменное магнитное поле. Его интенсивность в каждой точке пространства будет меняться по такому же закону синусоиды. Переменное магнитное поле рождает в пустом пространстве переменное электрическое поле (тоже меняющееся в каждой точке пространства по синусоидальному закону). Обнаружить это поле можно с помощью другого проводника: электроны в нем придут в движение, появится переменный синусоидальный ток. В свою очередь меняющееся электрическое поле вновь рождает магнитное поле а оно - электрическое и т.д. Причем возникающие электрические и магнитные поля, распространяясь, охватывают все новые и новые области пространства. Чем дальше расположена точка пространства от проводника с током, тем позднее достигнут ее колебания полей.

Взаимодействие электрического и магнитного полей не есть нечто обособленное, независимое друг от друга. Оно - проявление единого целого которое носит название электромагнитного поля.

В физике изменяющееся во времени, т.е. движущееся, простран-ственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины называется волной. Волны мы наблюдаем при бросании камешков в воду. Волну можно пустить по натянутой веревке. Зву-

ковые волны испускает колеблющаяся струна. Распространяющее-ся в пространстве электромагнитное поле образует электромагнитную волну.

Самые разные по своей природе волны имеют одну и ту же общую характеристику - длину волны. Пояснить ее можно на простом и зна-комом примере движения волны на поверхности воды. Длина волны - это расстояние между соседними гребнями. Время, за которое один гребень сменяет другой, составляет период колебания волны Т. Если знать скорость с, с какой происходит эта смена, то легко вычислить расстояние между гребнями, т.е. длину волны, как произведение ско-рости на время: λ = сТ. Величина, обратная периоду колебания вол-ны, - это частота колебания f = 1/T. Поэтому λ = c/f.

Скорость распространения электромагнитной волны равна ско-рости света с = 300000 км/с. Следовательно, ток, колеблющийся с частотой, например: 300000 Гц, создает электромагнитную волну длинной 1 км, а с частотой 300 000 000 Гц - 1 м.

В диапазоне радиоволн - ультракоротковолновом – размещаются волны длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, деци-, санти- и миллиметровые. Первые из них занимают частоты 30...300 МГц, а последние - частоты 30 000...1 000 000 МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а терагерцем (ТГц) - каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым волнам соответствуют частоты 30 ГГц...1 ТГц.

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не по глощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два «окна». Одно из них - в области видимого света. Им человечест во пользуется уже тысячи лет, изучая звезды в телескоп. Второе -«радиоокно» в области УКВ. Оно обнаружено только в XX в. благода ря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью этого «окна» осуществляется связь с космическими кораблями.

Из-за «прямолинейного» характера распространения ультракорот ких волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна при емника «видит» антенну передатчика. Если на пути волны встречает ся препятствие (высокий дом, гора, лес), то связь становится невоз можной.

Системы вещания - радио- и телевизионного - служат для достав ки информации от одного ее источника к большому числу потребите лей. В системах же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь их можно принять в любой точке зем ного шара.

Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в про странстве, ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Однако хо рошо концентрирует энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Это напоминает оптику, где раз меры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.

Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн для них легко сделать не очень большие и исключительно направ ленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, «собирают» волну.

Вы обращали внимание, как концентрируется луч света в электрическом фонарике? Лампочка помещается в фокусе зеркального от­ражателя. Подобно этому рупор, излучающий электромагнитную вол ну, помещают в фокусе параболической антенны (рис. 7.4). Она как рефлектор собирает электромагнитные волны в узкий параллельный

пучок лучей и направляет его на при­емную антенну. Принимаемые волны в свою очередь «стягиваются» металли­ческим зеркалом приемной антенны на рупор и через рупор и волновод на­правляются к приемнику.

Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик – в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов, и вырабатывает СВЧ-колебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается до приемника. А не мало ли это - всего один луч между двумя пунктами? Ведь тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каждой из них можно передавать цифровые потоки с огром-ными скоростями - сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что пропускная способность» у УКВ-луча во много раз больше, чем у ко-аксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зави-сит от частотного диапазона, в котором работает линия связи. А у ра­диолиний на УКВ он значительно шире, значит эти волны могут пере-нести как мощные «тяжеловозы» большее количество бит в одну секунду - свыше тысячи мегабит.

Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколь-ко передаттчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает од-новременно несколько лучей с различными длинами волн. В прием-ной антенне каждая волна отфильтровывается и точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник. Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число стволов не превышает 4-5.

В1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые при­нимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посы-дали дальше. Сама радиолиния была названа радиорелейной. Пер-вая радиорелейная линия в нашей стране была построена в 1953 г. между Москвой и Рязанью. Однако еще в начале 30-х годов совет-ские инженеры М.И. Греков и В.М. Большеверов провели опыты по направленной радиосвязи на дециметровых волнах между Москвой и Люберцами.

Рис. 7.5. Радиорелейная линия связи

Рис. 7.6. Спутниковая линия связи

Современная радиорелейная линия (РРЛ) состоит из двух основных и цепочки промежуточных радиорелейных станций (рис. 7.5). Ка­ждая станция - это приемник, передатчик и высокая мачта (или баш ня) с антеннами. Для мачт выбирают возвышенные участки местно сти. С каждой из них видны две соседние мачты. Расстояние между промежуточными станциями обычно составляет 40...70 км. Протяжен ность линии может быть несколько тысяч километров. Радиоволны узким направленным лучом идут от одной станции к другой, прини маются там приемником, усиливаются передатчиком и отправляются к следующей станции.

Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые линии передачи, в которых роль ретранслятора выполняет не на­земная промежуточная станция, а спутник связи (точнее, приемопе­редающий ретранслятор, помещенный на нем). На земле строятся оконечные станции с параболическими антеннами и устройствами наведения на антенну спутника (рис. 7.6). Спутниковые линии пере­дачи являются широкополосными. Спутниковые системы позволяют передавать телевизионные программы в отдаленные районы страны значительно дешевле, чем по наземным радиорелейным или ка­бельным линиям, а также организовать связь с труднодоступными районами, к которым протягивать наземные линии сложно и дорого, а иногда и просто невозможно.

Кроме описанных существуют и другие радиолинии (например, тропосферные, метеорные и др.).