Теория принципов распространения волн. Физика самраб. Теория принципов действия радиоволн и их применение в радиотехнике и мобильной связи
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
Ташкентский Университет Информационных Технологий им. Мухаммада аль-Хорезми Самостоятельная работа на тему: «Теория принципов действия радиоволн и их применение в радиотехнике и мобильной связи» Абдукаримов Шукуржон 207(833-22) Ташкент 2023 План: Введение Понятие радиоволн Теория радиоволн и принцип действия Область применения Применения в радиотехнике и мобильной связи Заключение Литература Введение современном мире технологии радиосвязи и мобильной связи стали неотъемлемой частью повседневной жизни людей. Без них невозможно представить функционирование многих систем и устройств, которые пользуются огромным спросом в обществе. Теория принципов действия радиоволн – это область науки, которая была разработана для объяснения и использования этих феноменов в радиотехнике и мобильной связи. Основными принципами действия радиоволн являются электромагнитное излучение и взаимодействие электрических и магнитных полей. Эти принципы формируют основу для создания радиосистем и устройств связи, которые сегодня активно используются в различных отраслях промышленности, экономики и научных исследований. К примеру, в радарных системах и приемниках радиосигналов применяются принципы рассеяния волн и дифракции, которые позволяют восстановить образы и передавать данные на большие расстояния. Кроме того, разработка и совершенствование телекоммуникационных систем, включая сотовую связь и спутниковую связь, также основаны на теории принципов действия радиоволн. Таким образом, знание теории принципов действия радиоволн и их применение в радиотехнике и мобильной связи является необходимым для специалистов, занимающихся созданием и эксплуатацией современных технологий связи. Более того, она становится все более важной в контексте развития новых технологий в этой области, а также для повышения качества жизни и обеспечения безопасности людей. В Что такое радиоволны? Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока. О радиоволнах впервые в своих работах в 1868 году рассказал Джеймс Максвелл. Он предложил уравнение, которое описывает световые и радиоволны, как волны электромагнетизма. В 1886 году Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию Максвелла, получив в своей лаборатории радиоволны длиной в несколько десятков сантиметров. Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. 7мая 1895года А.С.Попов доложил Русскому физико-химическому обществу об изобретении прибора, могущего улавливать грозовые разряды. 24 марта 1896года, используя эти волны, он передал на расстояние 250м первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц». Изобретение радио А.С. Поповым После описания опытов Герца в 1888 году, которые заинтересовали физиков всего мира, ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. Начав с воспроизведения опытов Герца, Попов вскоре начал использовать другой способ регистрации электромагнитных волн: он начал использовать когерер (от лат. - “когеренция” - “сцепление”). Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Принцип действия прибора основан на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Последовательно с когерером включаются электромагнитное реле и источник постоянного напряжения. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, в результате сопротивление когерера резко падает (в 100-200 раз). Сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает, и оно включает звонок. Молоточек звонка, ударяя по когереру, встряхивает его и возвращает в исходное состояние. С последним встряхиванием когерера аппарат готов к приему новой волны. 7 мая 1895 г. является днем рождения радио. На заседании Русского физико-химического общества Попов продемонстрировал действие своего прибора. Это был первый в мире радиоприемник. Но Александр Степанович на этом не остановился, и продолжал совершенствовать свой прибор, а также передатчик. Как распространяются радиоволны Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны. Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волны (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну. Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи. Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно. Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения. Распространение длинных и коротких волн Километровые волны также называют «длинные» (ДВ), они составляют 1-10 км и тратят больше энергии при распространении, способны покрывать расстояния до 2000 км. Близкий к ним тип – средние (СВ) от 100 м до 1 км. Они сильнее поглощаются земной поверхностью, поэтому имеют еще меньший диапазон распространения – порядка 1000 км. Короткие волны (КВ – 10-100 м) распространяются не далее чем на 250 км, однако обладают интересным свойством. Часть их, уходящая под большим углом к горизонту, соприкасаясь с верхними слоями атмосферы (ионосферой) отражается и направляется обратно к поверхности. Затем они снова отражаются, теперь уже от земли и снова направляются вверх. Распространяясь таким образом короткие волны могут несколько раз обойти вокруг планеты. Ионосфера теряет свою отражательную способность в ночное время, поэтому связь на коротких волнах в это время суток будет хуже. Длина ультракоротких волн (УКВ) составляет от 1 см до 10 м, к ним относятся метровые (МВ), дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ). Они успешно преодолевают ионосферу не отражаясь от нее. Они уходят выше и применяются для исследования свойств облаков, наблюдения за птицами, определения координат самолетов. Но так как отсутствует эффект отражения, они не могут огибать планету и радиосвязь с их помощью ограничена расстоянием в 200-300 км. С помощью специальных антенн УКВ собирают в «пучок», усиливают и отправляют в указанном направлении, что широко используется при обеспечении спутниковой связи, а также в радиолокации. Миллиметровые волны (ММВ) во многом схожи с УКВ, однако для них серьезной помехой служат атмосферные явления, такие как дождь, снег, туман, облака. За счет ММВ обеспечивается работа высокоскоростной радиорелейной связи. Они нашли свое применение в быту, их используют в медицине, они пригодились в радиоастрономии. Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар. Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство. Рисунок 1. Из рисунка 1 видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу. Свойства радиоволн 1) Отражение 2) Преломление 3) Интерференция 4) Дифракция 5) Поляризация 6) Поглощение 7) Короткие волны хорошо отражаются от ионосферы 8) Ультракороткие волны проникают через ионосферу Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля. Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление. Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию. Область применения Электромагнитные волны, обычно называемые “радиоволнами”, представляют собой волны, длина волны которых немного длиннее, чем у белого света, и с гораздо более низкой частотой, чем у света. Эти волны генерируются естественным путем путем генерации электрических импульсов. Они имеют свои длины волн и частоты, лежащие в широком электромагнитном спектре. Они содержат наименьшее количество энергии и являются самыми длинными из всех электромагнитных волн. Радиоволны варьируются от нескольких сантиметров длиной с карандаш до волн длиной с автомобиль, вплоть до гигантских волн, превышающих диаметр нашей планеты Земля. Генрих Герц открыл их в 1888 году. Они такие же прозрачные, как и излучения видимого света, и широко используются в современных технологиях. 1. В радиоастрономии Радиоволны находят свое применение при изучении “радиоастрономии”, в которой астрономам приходится составлять карту радиоволн, излучаемых объектами в космосе, с помощью радиотелескопа. 2. Внеземные исследования Они могут предоставлять информацию о внеземных материалах во Вселенной, потому что они могут перемещаться на большие расстояния, что невозможно с помощью оптического телескопа. 3. Радио- и телевещание Радио- и телевизионное вещание - это передача аудио- и визуальных данных с помощью радиоволн от передатчика к аудитории через антенны. 4. Пульт дистанционного управления автомобилем и игрушками Вы когда-нибудь задумывались, как автомобили и игрушки управляются дистанционно? Сигналы передаются с помощью радиоволн. Автомобили с дистанционным управлением являются одним из величайших технологических прорывов. Сегодня автомобилями можно управлять издалека, просто нажимая кнопки пульта дистанционного управления. 5. В квадратурной амплитудной модуляции Радиоволны также используются для передачи данных и Wi-Fi из одного места в другое посредством QAM (квадратурная амплитудная модуляция). 6. В радиолокации РАДАР (система радиообнаружения и определения дальности) - это система защиты, состоящая из радиоволн, которые используются военно- морскими и воздушными силами для определения местоположения и удаленности нарушителя от точки, где установлен радар. 7. В GPS Радиоволны также являются носителем сигналов GPS, передаваемых со спутников. 8. В радиотомографии Радиоволны также используются в технологии, называемой “Радиотомография”. Это включает в себя визуализацию людей и объектов в географическом регионе с использованием невидимых радиоволн с использованием приемника и отправителя (устройств с низким энергопотреблением). Например (адаптивная байесовская радиотомография). 9. В магнитно-резонансной томографии Радиоволны используются в медицинской визуализации внутренних органов тела с помощью МРТ (магнитно-резонансная томография). В настоящее время эти радиоволны также используются для лечения ряда заболеваний, таких как диатермия. 10. В формировании луча и массивном MIMO Новейшие технологии 5G также используют радиоволны для максимального усиления сигналов, получаемых подключенным устройством. Это также называется формированием луча и массивным MIMO. 11. В системах безопасности Системы безопасности, которые присутствуют в дверях торговых центров и в домах, работают, излучая радиоволны на объект, который проходит перед ним, и таким образом обнаруживают его движение. Он состоит из системы "устройство-концентратор", которая подключается к стене. 12. В радиочастотной идентификации (RFID) и считывании штрих-кодов Другое приложение включает в себя; RFID (радиочастотная идентификация), которая в основном представляет собой метод быстрого считывания метки, но использует радиоволны вместо света (используется считывателем штрих-кодов). Он может считывать 1000 меток одновременно и намного быстрее, чем считыватель штрих-кодов, для передачи и приема данных которому требуется свет. Радиоволны - это низкочастотные электромагнитные волны, которые передают электрические импульсы от одной среды к другой удаленно и без необходимости физического контакта между двумя средами. Он широко используется в системах вещания и радиолокации. Радиоволны в системах мобильной связи Радиоволны исследуются через антенну в пространство и рaспространяются в виде энергии электромагнитного поля. Несмотря на то, что природа радиоволн одинакова, их свойства к распрoстранению сильно зависит от длины вoлны. Почва для радиoволн есть проводник электричества (хоть не совсем хороший). Проходя над землей, рaдиоволны ослабевают. Это прoисходит из-за того, что электрoмагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на это и зaтрачивается часть энергии. Т.е. энергия поглoщается землей, и чем короче длина волны, тем больше поглощение (выше частота). Помимо этого, энергия волны ослабевает еще из-за того, что излучение рaспространяется во все стороны прoстранства и чем дальше от передатчика располагaется приемник, тем меньшее энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее проникает в антенну. Волны в сотовых связях и wi-fi. В сетях сотовой связи и wi-fi используются высокие частоты, а также они применяются в микроволновых печах. У таких волн хорошее проникающее свойство. Высокие частоты не могут преодолевать препятствия. У волн данной частоты есть еще особенность, такая, что молекулы воды мaксимально поглощают их энергию, а затем преобразуют ее в тепловую. Это объясняет принцип работы всем известных микроволновых печейкак можно заметить, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, находится длительное время с wi-fi роутером не стоит. Кожный покров человека принимает радиоволны и выделяется тепло и его можно зафиксировать с помощью экспериментов. Допустимое повышение температуры тела человекa составляет 4 градуса. Это значит – чтобы были какие-либо серьезные последствия после воздействий радиоволн на человека, данное воздействие должно быть очень долгим и радиоволны должны быть очень мощные и вероятность того, что это произойдет в бытовых условиях, очень мала. Есть, конечно же, исключения. Глазные яблоки, к примеру, т.к. меньше снабжаются кровью не так хорошо отводят тепло. У радиоволн есть не только тепловые эффекты. Они обладают другими свойствами, данные свойства указываются в кaчестве возможных вредных факторов влияния на здоровье человека. Среди таких вредных свойств и факторов указывается ухудшение кровообращения, затруднение деятельности головного мозга, и даже могут быть генетические мутaции. Некоторые из данных предположений были доказаны экспериментально. Данные испытания на людях не проводились, они проводились на животных и клеточных культурах. И это приводит нас к тому, что дaнный вопрос о возможных вредоносных нетермических эффектов от радиоволн для человекa oстаётся oткрытым. Вредное действие радиовoлн на человека, имеется, но не слишком серьёзное, если вoлны не мощные и не оказывают данное влияние слишкoм долго. В наше время радиоволны oчень сильно oблегчают жизнь человечества, но в то же время они оказывают негативное влияние на живые организмы. Заключение В заключении можно сказать, что теория принципов радиоволн и их применение в радиотехнике и мобильной связи имеют большое значение для современной технологической индустрии. Данная теория позволяет создавать беспроводные устройства и технологии связи, которые с каждым годом становятся все более развитыми и усовершенствованными. Одним из примеров успешного применения теории принципов радиоволн в радиотехнике является разработка GPS-навигаторов, которые работают на основе принципа трилатерации. Также, теория радиоволн позволяет создавать беспроводные сети связи, которые используются в мобильной связи, Wi-Fi, Bluetooth и других технологиях. Кроме того, теория принципов радиоволн находит применение в создании технологий, которые используются в армии, автомобильной промышленности, медицине и других отраслях экономики. В целом, теория принципов радиоволн и их применение в радиотехнике и мобильной связи являются одним из ключевых камней современной технологической индустрии. Развитие радиотехнических технологий и беспроводных коммуникаций становится все более актуальным в наше время и будет продолжать развиваться, открывая новые возможности для современного общества. Список использованной литературы 12 видов использования радиоволн - все виды использования https://allusesof.com/technology/12-uses-of-radio-waves/ Распространение радиоволн в среде и передача данных https://asvagroup.com/2020/12/rasprostranenie-radiovoln-v-srede-i- peredacha-dannyh/ Теория радиоволн: ликбез https://habr.com/ru/articles/158161/ Радиоволны, свойства и принцип распространения https://revolution.allbest.ru/radio/00547433_0.html#text Влияние радиоволн в сотовых связях и их распространение https://scienceforum.ru/2018/article/2018004330 |