1. Rozchodzenie się i podział fal radiowych

Cechą każdego systemu radiowego jest

przekazywanie informacji (dźwięku) przez
środowisko propagacji fal radiowych.
Przetwarzanie wiadomości, nadawanie i odbiór
sygnałów radiowych zależą od układu i konstrukcji
urządzeń nadawczo-odbiorczych, czyli od działań
człowieka, natomiast warunki propagacji fal
radiowych zależą od wielu czynników i
okoliczności, pozostających poza wpływem
człowieka.

W każdym miejscu, czasie i zakresie częstotliwości
istnieją w sensie statystycznym pewne warunki
propagacyjne, których znajomość jest konieczna do
optymalnego projektowania i stosowania systemów
radiowych, Zakres częstotliwości wykorzystywany w
systemach radiowych jest bardzo szeroki i obejmuje
częstotliwości od kilku kHz do setek GHz.

Częstotliwości te odpowiadają falom radiowym o
długościach od kilkudziesięciu kilometrów do
części milimetra. Między długością fali
elektromagnetycznej λ, częstotliwością f, a
prędkością rozchodzenia się fali v występuje
zależność:

f

v

⋅

=

λ

Dla fal elektromagnetycznych rozchodzących się w
wolnej przestrzeni, prędkość rozchodzenia się fali
jest równa prędkości światła w próżni, w związku z
czym

długość fali oblicza się ze wzoru:

f

c

=

λ

gdzie:

λ - długość fali elektromagnetycznej [m],

f - częstotliwość fali elektromagnetycznej [Hz],

c = 3· 10

8

- prędkość światła w próżni [m/s].

W środowiskach innych jak próżnia prędkość
rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest
zawsze mniejsza od prędkości światła i zależy od
przenikalności elektrycznej danego środowiska.
Prędkość rozchodzenia się fali w danym środowisku
oblicza się ze wzoru:

r

c

v

ε

=

Oprócz dekadowego podziału częstotliwości
radiowych często stosuje się jeszcze tradycyjny
podział widma częstotliwości na zakresy, który
przedstawiono w tabeli 2.

Tabela. 2. Tradycyjny podział widma częstotliwości radiowych

Nazwa zakresu

Oznaczenie zakresu

Długość fali[λ]

Częstotliwość fali [f]

fale bardzo długie

VLF

powyżej 20 km

poniżej 15 kHz

fale długie

LF

20 - 1 km

15 - 300 kHz

fale średnie

MF

1000 - 200 m

100 - 1500 kHz

fale pośrednie

-

200 - 100 m

1.5 - 3 MHz

fale krótkie

HF

100 - 10 m

3 - 30 MHz

fale ultrakrótkie

VHF, UHF

10 - l m

30 - 300 MHz

mikrofale

SHF

poniżej 1 m

powyżej 300 MHz

Przy nadawaniu fal radiowych stosuje się dwa rodzaje emisji:

z modulacją amplitudy — AM,

z modulacją częstotliwości — FM.

Podział fal radiowych z emisją AM:

fale długie (LF) — od 150 kHz do 285 kHz,

fale średnie (MF) — od 520 kHz do 1620 kHz,

fale krótkie (HF) — od 3,95 MHz do 26,1 MHz.

Podział fal radiowych z emisją FM:

standard OIRT

1

: od (65,5 MHz do 74,0 MHz) ± 50 kHz,

standard CCIR

2

: od (87,5 MHz do 108,0 MHz) ± 50 kHz.

1

OIRT — Organisation International de Radiodiffusion et Television (tzw. standard wschodni).

2

CCIR — Comite Consultatif International de Radiocommunication (tzw. standard zachodni).

2. Rodzaje i sposób rozchodzenia się fal radiowych

Fale radiowe można podzielić na podstawie charakteru drogi, wzdłuż której docierają one od nadajnika do

odbiornika. W zależności od położenia dwóch punktów w przestrzeni, między którymi istnieje łączność
radiowa, można wyróżnić trzy przypadki rozchodzenia się fal:

a) Ziemia — Ziemia,
b) Ziemia — kosmos,
c) kosmos — kosmos.

W przypadku a) mamy do czynienia z rozchodzeniem się fal w otoczeniu Ziemi. Podział tych fal przedstawiono
na rys. l, a sposób ich rozchodzenia — na rys. 2.

Rys. l. Podział fal rozchodzących się w otoczeniu
Ziemi

Rys. 2. Sposób rozchodzenia się fal w otoczeniu
Ziemi, l — fala powierzchniowa, 2 — fala
troposferyczna, 3 — fala jonosferyczna, 4 — fala
przestrzenna; a, b — fala odbita, c — fala
bezpośrednia, N— nadajnik, O — odbiornik

2.1. Polaryzacja i krótka charakterystyka fal

Polaryzacja fali zależy od tego, w jakiej

płaszczyźnie drga wektor pola elektrycznego E, który
jest zgodny z kierunkiem linii sił tego pola.
Promieniowane fale mogą mieć polaryzację poziomą
(rys. 3) lub pionową (rys. 4). Spotyka się także inne
rodzaje polaryzacji, np. kołową, eliptyczną.
Propagacja fali elektromagnetycznej jest związana z
przenoszeniem energii. Miarą tej energii może być
np. moc przepływająca przez l m

2

powierzchni

prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. W
praktyce dogodniejsze jest operowanie tylko
składową elektryczną fali i określania wartości
skutecznej pola E tej fali, podawanej w V/m.
Wygoda polega na bezpośredniej interpretacji

pomiarowej tej wielkości. Fala elektromagnetyczna
napotykając na swej drodze przewodnik wywołuje
w nim przepływ prądu. Występuje tu analogia do
powstawania prądu w przewodzie objętym
działaniem zmiennego pola magnetycznego.
Upraszczając zagadnienie (pomijając relacje między
długością fali a długością przewodu), można
przyjąć, że np. fala indukująca w przewodzie
pomiarowym o długości l m siłę elektromotoryczną
o wartości 25µV ma natężenie 25 µV/m. Silę
elektromotoryczną, wywołaną przepływem prądu
mierzymy oczywiście między końcami przewodu
pomiarowego.

Rys. 3. Polaryzacja pozioma H (horizontal — poziom; linie sil
pola elektrycznego E promieniowanej fali są równoległe do
powierzchni Ziemi)

Rys. 4. Polaryzacja pionowa V (vertical — pion; linie sił

pola elektrycznego E promieniowanej fali są prostopadłe do
powierzchni

Ziemi)

Fala przyziemna rozchodzi się blisko powierzchni
Ziemi i dzieli się na falę powierzchniową i
przestrzenną.

Fala powierzchniowa jest promieniowana przez
antenę nadawczą umieszczoną bezpośrednio na
powierzchni Ziemi i rozchodzi się wzdłuż tej
powierzchni. Zawiera się w zakresie bardzo niskich
częstotliwości i może rozchodzić się na tysiące
kilometrów:

do kilku tys. km dla fal z zakresu VLF, do kilkuset
km dla fal z zakresu MF, do kilkudziesięciu km dla
fal z zakresu HF.

Fala jonosferyczna to taka fala, która dociera do
odbiornika dzięki odbiciu od jonosfery i zawiera się
w zakresie fal średnich i krótkich. Dla fal
ultrakrótkich

o częstotliwości od 30 do 50 MHz jonosfera staje się
„przezroczysta" i fale przenikająją, rozchodząc się w
kosmos. Dla tego zakresu fal jonosfera przestaje
działać jak reflektor i dlatego w łączności
satelitarnej stosuje się fale o bardzo wysokich
częstotliwościach SHF, EHF.

Fala troposferyczna jest to fala, która dociera do
odbiornika dzięki dyfrakcji i refrakcji fal w
troposferze. Umożliwia to budowanie
pozahoryzontalnych, naziemnych stacji radiowych o
zasięgu 200-1000 km.

2.2. Anteny

Antena jest elementem odwracalnym. Oznacza

to, że antena może dokonywać przemiany energii w
obu kierunkach — prądu w.cz. na falę
elektromagnetyczną i fali elektromagnetycznej na
prąd (siłę elektromotoryczną). Antena nadawcza
może być odbiorczą i na odwrót. Ewentualne
różnice dotyczą konstrukcji i wymiarów obu typów
anten.

W przypadku idealnym pożądane byłoby, aby cała
moc prądu zmiennego dostarczanego do anteny była
wypromieniowana. Zbliżenie się do tego ideału
wymaga tzw. dostrojenia anteny. (Antenę możemy
rozpatrywać jako szczególny przypadek obwodu
rezonansowego, złożonego z cewki, kondensatora i
źródła energii. Obwód taki cechuje się

częstotliwością rezonansową, dla której amplituda
prądu zmiennego płynącego w obwodzie osiąga
maksimum. Jeśli w obwodzie takim, uziemionym w
odpowiednim punkcie (rys. 5) zaczniemy rozsuwać
okładziny kondensatora, to linie sił pola
elektrycznego będą obejmowały coraz większą prze-
strzeń. W ostatniej fazie otrzymamy tzw. obwód
otwarty. Charakteryzować się on będzie w dalszym
ciągu częstotliwością rezonansową, większą niż na
początku (ze względu na zmniejszenie pojemności
kondensatora). Przy tej częstotliwości rezonansowej
wypromieniowana ilość energii, doprowadzonej ze
źródła, będzie największa. Częstotliwość ta jest
unkcją wymiarów fizycznych anteny oraz sposobu
jej zasilania (rys. 6).

Rys. 5. Przekształcenie zamkniętego obwodu rezonansowego w antcnc nadawczą

Rys. 6. Porównanie anten Radiostacji Centralnej PR: a) stara antena ćwierćfalowa (Raszyn); b) nowa pólfalowa (Gąbin).

Przy różnych wymiarach promieniują falę o tej samej długości — różnica wysokości jest związana ze

sposobem zasilania.

Istnieje wiele typów anten. Najważniejszy

podział obejmuje anteny linearne i aperturowe.
Anteny linearne mają postać przewodu (bądź układu
przewodów) o długości znacznie większej od
wymiarów poprzecznych. Przykładem takiej anteny
jest zarówno maszt Radiostacji Centralnej, jak i
antena teleskopowa radiotelefonu Trop. Do tej grupy
zaliczamy także np. anteny

dipolowe czy prętowe.

W przypadku anten aperturowych wy
promieniowanie fali następuje z powierzchni, która
może mieć rozmaity kształt, np. paraboliczny w
antenach parabolicznych.
Istotnym parametrem określającym antenę jest
charakterystyka promieniowania. W zależności od
potrzeb antena może być przystosowana do

emitowania fali elektromagnetycznej z jednakową
mocą we wszystkich kierunkach (w określonej
płaszczyźnie). W tym przypadku mówimy o
charakterystyce dookól-nej anteny. Charakterystykę
taką mają niemal wszystkie anteny nadawcze
radiofoniczne. Niekiedy istnieje potrzeba
wyemitowania energii w ściśle określonym
kierunku. Służą do tego anteny kierunkowe (rys. 7).
W przypadku anten linearnych uzyskanie dużej
kierunkowości wymaga znacznej rozbudowy anteny.
Mówimy wtedy raczej o zespole anten. Na
charakterystykę kierunkową anteny ma ponadto
wpływ jej usytuowanie względem powierzchni
Ziemi.

Rys. 7. Charakterystyki kierunkowe w płaszczyźnie pionowej anteny ćwierć i pólfalowej pionowej

(a) w płaszczyźnie poziomej dipola o różnych stosunkach długości l do długości fali

(b) oraz charakterystyka anteny kierunkowej

(c) w płaszczyźnie poziomej