На заре развития радио частоты в пределах 30 МГц считались ‘высокими’. Понимание этого, а также конструкция компонентов в то время ограничивали использование оборудования связи на более высоких частотах. Со временем были поняты новые концепции — скин-эффект, паразитный эффект и т.д.
Это позволило разработать компоненты, подходящие для ещё более высоких частот. Разработка полупроводников определённо помогла снизить требования к энергопотреблению и миниатюризировала множество оборудования для радиосвязи. В результате огибающая частот может быть расширена до областей VHF и UHF, которые простираются вплоть до 3 ГГц. Чтобы создать ощущение реальности, мир быстро расширяет частотную огибающую в область Терра Герц частотного спектра. Мы уже достигли того уровня, когда компоненты микроволновых и миллиметровых волн становятся обычным явлением и легко доступны любителю.
На протяжении многих лет физики и инженеры наблюдали и изучали поведение радиоволн на разных частотах. Например, отражение, дифракция, преломление и дисперсия являются наиболее наблюдаемыми свойствами радиоволн, включая свет. Не имеет значения, находитесь ли вы в диапазоне ВЧ или УВЧ. Эти четыре свойства применимы независимо от частоты. Тем не менее, результат действия этих свойств совершенно уникален для разных частотных диапазонов.
Высокочастотный диапазон известен своими огромными антеннами, что связано с большой длиной волны в диапазоне от 3 МГц до 30 МГц. Мы рассматриваем длину волны, которая колеблется от почти 100 метров на частоте 3 МГц до всего лишь 10 метров на частоте 30 МГц. Капли дождя и плотные облака практически не влияют на распространение этих радиоволн. Удивительно, но на него сильно влияет самый непредвиденный элемент природы. Он влияет на него настолько сильно, что каждые 7-8 лет связь в КВ диапазоне становится настоящей проблемой. Высокочастотный диапазон остаётся активным, когда на солнце появляются пигментные пятна! Его удобство использования сокращает время, когда солнце скрывает свои пигментные пятна. Насколько нам известно, солнце предпочитает скрывать их на несколько лет в десятилетие. Если не вдаваться в подробности, солнце следует циклу. Бывают периоды активности, когда количество солнечных пятен очень велико. Происходят выбросы корональной массы, которые в значительной степени ионизируют ионосферу Земли. Несколько лет спустя солнце становится неактивным, и у нас не остаётся ни солнечных пятен, ни выбросов короны и, как следствие, слабой ионосферы. Плотность воздуха в этой ионосфере меняется по мере того, как мы поднимаемся на большую высоту. Изменение плотности приводит к изменению показателя преломления, что приводит к изгибу электромагнитных волн. Больше всего подвержены влиянию частоты в диапазоне КВ!
Поскольку ионосфера настолько чувствительна к Солнцу, она меняется каждый час суток. Кроме того, как мы видели ранее, она меняется каждый год в зависимости от фазы Солнца. Когда Солнце выбрасывает значительное количество ионизирующего излучения, нас ждёт настоящее удовольствие. Поступали сообщения о том, что связь происходит на полпути по всему земному шару при мощности излучения всего 5 Вт. Практически вы можете общаться с кем угодно в любой точке мира, если активность солнечных пятен высока! Если Солнце решает вздремнуть, то есть когда активность солнечных пятен меньше, нам приходится очень трудно.
По мере перехода на более высокие частоты, такие как диапазон 50 МГц, ситуация сильно меняется. Длина волны теперь уменьшается до 6 метров. Отражение от ионосферы становится немного затруднительным, но не невозможным. Ему просто нужна плотная ионизация. Таким образом, связь skywave в диапазоне 50 МГц встречается редко. Хотя есть ещё одно интересное явление, которым может воспользоваться эта частота — ‘связь с рассеянием при взрыве метеорита’. Когда метеоры из космоса попадают в атмосферу Земли, они разрушаются и оставляют за собой ионизированный след. Этот ионизированный след покрывает небольшую часть неба, но его достаточно для установления связи. Радиоволны могут отражаться от этого участка ионизированного следа и довольно легко достигать отдалённых мест.
Далее, повышая частоту, мы сталкиваемся с диапазоном FM-вещания, авиационным диапазоном, диапазоном метеорологических спутников, 2-метровым любительским радио, УКВ телевизионным вещанием. Диапазон УКВ простирается до 300 МГц. Что касается длины волны, мы рассматриваем 10 метров на частоте 30 МГц и 1 метр на частоте 300 МГц. Диапазон любительского радио находится примерно в середине диапазона УКВ на частоте 144-146 МГц. Чуть ниже находится полоса вещания метеорологических спутников около 137 МГц. Антенны относительно меньше по сравнению с диапазоном КВ. По мере уменьшения длины волны на электромагнитные волны начинают воздействовать объекты, попадающиеся на пути их распространения, например горные вершины, листва, такая как кусты, деревья и т.д. Острые горные вершины и края часто приводят к тому, что известно как ‘Дифракция на лезвии ножа’.
Кроме того, мы также видим дифракцию волн из-за различных объектов, встречающихся на их пути, что очень распространено в диапазоне УКВ и сверхвысоких частот. Четыре свойства, о которых говорили ранее, в значительной степени влияют на распространение по мере продвижения по спектру.
Такие объекты, как здания, могут легко блокировать радиоволны УКВ- и сверхвысокочастотного диапазонов. Но в большинстве случаев в этих зданиях есть отверстия. Окна действуют как отверстия, через которые радиоволны преломляются и продолжают двигаться вперёд, хотя и с несколько меньшей мощностью.
Распространение в тропосфере — ещё одно интересное явление, наблюдаемое на частотах VHF. Ранее мы видели, как ионосфера преломляет высокочастотные радиоволны и отправляет их обратно на Землю. Аналогичным образом, инверсия температуры летом может приводить к отражению радиоволн и их распространению на большие расстояния. Обычно температура снижается с высотой. Если вы находитесь вблизи береговой линии, воздух у поверхности охлаждается быстрее по сравнению с воздухом выше. Это приводит к изменению показателя преломления, в результате чего радиоволны отражаются от этого слоя температурной инверсии.
Распространение ионосферы становится менее распространенным явлением на этих частотах, но не полностью отсутствует. Бывают случаи, когда в верхних слоях атмосферы образуются высокоионизированные облака воздуха. Эти плотные облака способны пропускать частоты УКВ. Такое распространение известно как спорадическое распространение E, потому что оно происходит совершенно случайным образом в разных частях неба. Опять же, это зависит от погоды в космическом пространстве.
Сверхвысокочастотные частоты начинают представлять интерес там, где длина волны меньше метра — в диапазоне от 1 метра при 300 МГц до 10 см при 3 ГГц. Здесь происходит много интересного. Это, безусловно, самый загруженный радиочастотный спектр, который мы находим. На 435 МГц, находится наш диапазон любительского радио. Затем идёт диапазон телевизионного вещания, который скоро будет повторно использован для связи 5G. Большая часть низких частот UHF используется для телевизионного вещания. Примерно в районе 700 МГц мы начинаем видеть мобильную связь. Спектр мобильного телефона можно наблюдать вплоть до 960 МГц. GPS и множество других навигационных спутников передают сигналы в диапазоне от 1,17 ГГц до 1,6 ГГц. Обычно используемый Wi-Fi также работает в верхнем диапазоне сверхвысоких частот. Радары и средства связи также работают в этом диапазоне сверхвысоких частот. Кроме того, значительная часть спектра также была выделена для связи 4G LTE. Метеорологические спутники также передают изображения высокого разрешения в этом спектре. Радиоастрономы могут наблюдать водород в Млечном Пути, слушая частоту 1,420 ГГц.
Диапазон UHF уникален тем, что в нём происходит переход от дециметровой длины волны к сантиметровой. Кроме того, многие компоненты ведут себя по-разному в нижнем диапазоне UHF по сравнению с верхним диапазоном UHF. Например, конденсатор 10 нФ по-прежнему будет выглядеть как конденсатор на частоте 400 МГц, но на частоте 2,4 ГГц он будет вести себя как катушка индуктивности. Концепция паразитных элементов и распределённых элементов становится доминирующей в верхнем диапазоне СВЧ.
Более низкие частоты UHF, такие как любительские радиоволны 435 МГц, могут довольно легко распространяться за счёт дифракции и отражения в городской среде. Верхний любительский диапазон радиосвязи UHF на частоте 1,2 ГГц столкнётся с серьёзным ослаблением и потерями по тому же сценарию.
Путешествие становится ещё более захватывающим, когда мы выходим за пределы диапазона сверхвысоких частот.
hamradio-arcad.com
