fale radiowe
 
Encyklopedia
fale radiowe,
fale elektromagnetyczne dł. od 0,1 mm do 100 km (częst. od 3000 GHz do 3 kHz).
Zgodnie z Regulaminem Radiokomunik. Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego obowiązuje dekadowy podział widma f.r. na zakresy; pozostaje też nadal w użyciu podział tradycyjny, oparty na fiz. właściwościach f.r., w którym granice zakresów nie zostały jednoznacznie ustalone. Zakres mikrofal został podzielony na pasma oznaczone umownie literami, gł. odpowiadające częst. pracy radarów i systemów radiokomunikacji satelitarnej (w tym telewizji i radiofonii satelitarnej).
Źródłami f.r. są anteny, przetwarzające energię prądu wysokiej częst., doprowadzanego z urządzeń nadawczych, a także radioźródła i wyładowania elektryczne. F.r. mogą się rozchodzić w liniach przesyłowych (prowadnicach falowych, np. falowodach) lub w przestrzeni nieograniczonej; w przestrzeni rozchodzą się albo we wszystkich kierunkach, albo jako wiązki skoncentrowane, za pomocą anten kierunkowych, wzdłuż wybranego kierunku (kierunków). Obszar przestrzenny, w którym rozchodzą się f.r., tzw. środowisko propagacji, jest charakteryzowany parametrami elektr.: przenikalnością elektryczną, przenikalnością magnetyczną i przewodnością elektryczną właściwą. W próżni f.r. rozchodzą się prostoliniowo, z prędkością równą prędkości światła, przy czym natężenie pola elektromagnetycznego związanego z f.r. jest odwrotnie proporcjonalne do odległości od źródła; natomiast w środowisku rzeczywistym, w wyniku oddziaływania z nim, a zwłaszcza z napotykanymi przeszkodami, f.r. mogą ulegać rozproszeniu, odbiciu, załamaniu, dyfrakcji (ugięciu) i pochłanianiu.
Na propagację f.r. w warunkach ziemskich mają wpływ powierzchniowe warstwy Ziemi oraz warstwy atmosfery ziemskiej: troposfera (rozciągająca się od powierzchni Ziemi do wys. kilkunastu km) i jonosfera (na wys. od 70 do 1000 km). Sposób propagacji f.r. zależy od wysokości umieszczenia anten nad powierzchnią otaczającego ją terenu (w zasadzie — od stosunku tej wysokości do długości fali) oraz kąta wypromieniowania (kąta elewacji) fali, mierzonego względem powierzchni Ziemi i uwarunkowanego charakterystyką kierunkowości anteny; istotną rolę odgrywa oddziaływanie f.r. ze środowiskiem propagacji, zależne od jej częstotliwości. Ze względu na sposób propagacji rozróżnia się fale: przyziemne, troposferyczne i jonosferyczne.
F.r. przyziemne dzielą się na powierzchniowe — rozchodzące się bardzo blisko powierzchni Ziemi (gruntu, morza), oraz przestrzenne — rozchodzące się w pewnej od niej odległości. F.r. powierzchniowe są wysyłane i odbierane przez anteny znajdujące się bezpośrednio na powierzchni Ziemi lub umieszczone na wysokości nie większej niż kilka długości rozchodzącej się f.r. Mają duży zasięg (np. w radiofonii długofalowej — do kilkuset km przy mocy nadajnika ok. 1 MW), co jest związane z występowaniem zjawiska dyfrakcji (ugięcia) na kulistej powierzchni Ziemi i na przeszkodach (wzniesieniach) o promieniu krzywizny wierzchołków porównywalnym z długością fali. Propagacja f.r. powierzchniowej zależy od jej częst. i od parametrów elektr. podłoża. Tłumienie fali (pochłanianie przez podłoże) jest większe dla dużych częst. i maleje ze wzrostem przewodności podłoża. Ze wzrostem częst. słabnie też zjawisko dyfrakcji. Dlatego też fale powierzchniowe mają istotne znaczenie gł. w radiofonii i radionawigacji w zakresie fal długich i średnich.
F.r. przestrzenne rozchodzą się w troposferze w większej niż f.r. powierzchniowe odległości od powierzchni Ziemi; obie współpracujące anteny (lub co najmniej jedna z nich) są wówczas umieszczone nad powierzchnią Ziemi, na wysokości znacznie większej od długości rozchodzącej się fali (warunek ten może być spełniony tylko dla fal bardzo krótkich, tj. ultrakrótkich i mikrofal). Do anteny odbiorczej dochodzi wtedy zwykle, oprócz fali bezpośredniej, fala odbita (lub rozproszona) od powierzchni Ziemi; zachodzi interferencja obu fal, w wyniku której natężenie odbieranej fali zwiększa się lub zmniejsza do 0 (fala zanika). W środowisku pełnym przeszkód (np. w obszarze zabudowanym) mogą wystąpić liczne fale odbite, w wyniku czego powstaje zjawisko wielodrogowości rozchodzenia się f.r., prowadzące do interferencji wielu f.r. dochodzących do miejsca odbioru i do fluktuacji ich natężenia (często do zaników sygnałów). F.r. przestrzenna ulega również refrakcji i tłumieniu.
Propagacja f.r. troposferycznych zależy w dużym stopniu od zmian w przestrzeni parametrów elektr. troposfery, gł. przenikalności elektr., a więc i współczynnika załamania fali. Parametry te są ściśle związane z parametrami meteorologicznymi (temperaturą, ciśnieniem, wilgotnością). Podczas przechodzenia przez warstwy o różnym współczynniku załamania f.r. zmienia kierunek rozchodzenia się (refrakcja), co powoduje zwykle niewielki wzrost zasięgu f.r. ponad bezpośrednią (opt.) widoczność współpracujących anten. Ten sposób propagacji dotyczy gł. fal UKF i mikrofal, przy czym mikrofale są pochłaniane i rozpraszane przez opady atmosferyczne oraz w pewnych pasmach częst. przez cząsteczki tlenu i pary wodnej, z czym wiąże się ich intensywne tłumienie w tych pasmach. Może to powodować zaniki sygnałów i znaczne zmniejszenie zasięgu łączności, gł. w zakresie fal milimetrowych, niekiedy centymetrowych. F.r. troposferyczne ulegają ponadto rozproszeniu na niejednorodnościach troposfery, co zwiększa ich zasięg nawet do 1000 km. Jednocześnie zjawisko wielodrogowości fal, towarzyszące rozproszeniu, oraz niestabilność parametrów troposfery w czasie i w przestrzeni prowadzi do dużych zmian poziomów odbieranych sygnałów (z występowaniem zaników włącznie).
F.r. jonosferyczne to fale, których propagacja zależy gł. od stanu jonosfery, tj. od koncentracji w niej elektronów (związanej z porą doby, roku, aktywnością słoneczną), a także od długości f.r. i kąta ich wypromieniowania w kierunku jonosfery (kąta padania na warstwę jonosferyczną). Podczas przechodzenia przez warstwy jonosfery o różnej koncentracji elektronów, f.r. może ulegać refrakcji i pochłanianiu, może też przenikać przez te warstwy. W wyniku refrakcji tor f.r. może zakrzywiać się tak znacznie, że fala wraca w kierunku Ziemi, co można traktować jako jej odbicie od jonosfery.
Wysokość, na której następuje odbicie f.r. w kierunku Ziemi, zależy od koncentracji elektronów w warstwie, częst. fali i kąta jej wypromieniowania przez antenę. Dla określonego kąta wypromieniowania wysokość ta jest proporcjonalna do częst. fali. F.r. o częst. większych od częst. własnej plazmy jonosferycznej (oscylacje plazmy) na danej wysokości przenikają przez warstwę (warstwy) jonosfery. Im większy kąt wypromieniowania, tym większa wysokość, na której następuje odbicie f.r.; zmniejszenie kąta powoduje zwiększenie zasięgu f.r. przy jednokrotnym odbiciu i umożliwia stosowanie większych częst. roboczych. F.r. jonosferyczne w wyniku wielokrotnych odbić od jonosfery i powierzchni Ziemi mogą rozchodzić się na odległości od kilkuset do ponad kilkunastu tys. km. Ma to duże znaczenie w dalekosiężnej radiokomunikacji porozumiewawczej w zakresie fal krótkich i w radiofonii w zakresie fal długich, średnich i krótkich. F.r. długie zwykle odbijają się od warstwy D (w dzień) i warstwy E (nocą), średnie — od warstwy E, krótkie — od warstwy F lub podwarstw F1 i F2, natomiast fale ultrakrótkie i mikrofale zwykle przenikają przez jonosferę. Wnikaniu f.r. do warstw jonosfery towarzyszą zaniki sygnałów, spowodowane ich pochłanianiem lub interferencjami (pochłanianie jest większe dla fal o mniejszych częst.).
F.r. wykorzystuje się w radiofonii (fale od długich do ultrakrótkich), telewizji (ultrakrótkie), radiokomunikacji porozumiewawczej (gł. fale krótkie, ultrakrótkie i mikrofale), radiolokacji (mikrofale) oraz radionawigacji (długie, średnie, ultrakrótkie, mikrofale). Mikrofale stosuje się również w grzejnictwie elektr., medycynie (diagnostyce i terapii).
Aleksander Charytoniuk
Bibliografia
D.J. Bem Anteny i rozchodzenie się fal radiowych, Warszawa 1973;
J. Szóstka Fale i anteny, Warszawa 2000.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia