Что происходит с длиной радиоволны при увеличении частоты
Перейти к содержимому

Что происходит с длиной радиоволны при увеличении частоты

  • автор:

Как изменится длина звуковой волны при увеличении частоты колебания источника в 2 раза? Ответившему 10 баллов!

(скорость звука не зависит от частоты)
1)увеличится в 2 раза
2) не изменится
3) уменьшится в 2 раза
4) ответ не однозначный, т.к не указано в какой среде распространяется волна.
Как вы это определили?

Лучший ответ

3) уменьшится в 2 раза

Зависимость простая чем выше частота тем меньше длина волны

Остальные ответы

Ответ: уменьшится в 2 раза

Частота волны =1 / длину волны, а соответственно Длина волны = 1 / частоту волны

частоты или все таки периода колебаний? ?
увеличится в два раза.
3) уменьшится в 2 раза
Уменьшится в 2 раза
Камни тупые увеличится
Как изменится длина волны при увеличении частоты колебаний источника волны
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Что происходит с длиной волны при увеличении частоты?

Что происходит с длиной волны при увеличении частоты?

С увеличением частоты длина волны уменьшается. Частота и длина волны обратно пропорциональны. В основном это означает, что при увеличении длины волны частота уменьшается, и наоборот.

Длина волны описывается как расстояние от впадины до впадины или от гребня до гребня. Частота определяется как количество волн или циклов волны, присутствующих в единицу времени. Термин «циклы» обычно применяется в секундах или «герцах». Per hertz в основном означает «количество циклов в секунду». Длина волны описывает расстояние, которое волна будет преодолевать одновременно с одним циклом волны.

Длина волны описывается как функция скорости и частоты распространения этой волны. Более длинные волны связаны с более низкими частотами, а меньшие длины волн связаны с более высокими частотами. Скорость волны, также известная как волны на воде, считается постоянной. Длина волны и частота обратно пропорциональны; увеличение частоты уменьшает длину волны.

Во время грозы люди всегда видят молнию, прежде чем услышат гром. Это пример скорости или длины волны. Световые волны распространяются в миллион раз быстрее, чем звуковые волны. Однако звук волн зависит от вещества, через которое проходит волна.

Влияние частоты сигнала на энергетику радиолинков в свободном пространстве

Что меняется при изменении применяемого диапазона частот в радиосвязи – не всегда корректно могут сформулировать даже опытные радиолюбители. С одной стороны формула передачи Фрииса крайне проста, и обсуждать, казалось бы, нечего. С другой стороны, в этой формуле кроме явного упоминания длины волны λ, она неявно скрыта в других коэффициентах. Есть много утверждений, заметок и статей, что с более высокими частотами энергетика радиолинков хуже, не меньше есть и статей «разоблачений мифа» — мол ничем высокие частоты не хуже, учите матчасть.

Оба утверждения верны, причем верно и третье – с повышением частоты энергетика линка может значительно улучшаться. Всё зависит от сценария применения (накладываемых ограничений).

Любая передача информации, не только с помощью радиоволн, а и любых других волн (звуковых, ЭМ волн более высоких частот – т.е. света, гравитационных волн) может происходить в 3 сценариях:

  1. Всенаправленное излучение и всенаправленный прием энергии.
  2. Направленное (секторное, узколучевое) излучение и всенаправленный прием
  3. Направленное излучение и направленный прием

В первом случае ни одна из сторон не знает местоположение в пространстве второй стороны, или не имеет средств наведения своих антенн на корреспондента.

К такому сценарию относятся практически все виды раций (военные, гражданские, авиационные), бытовые устройства (WiFi, Bluetooth, радиотелефоны, IoT, беспроводные сенсоры, телематика, брелки-отмычки), связь между спускаемым зондом и его космической станцией. Антенны обоих подвижных корреспондентов должны быть всенаправленными (изотропными) или близкими к ним.

Во втором случае, если одна из сторон стационарная и вероятное местоположение подвижного корреспондента ограничено некоторым сектором пространства – на стационарной стороне возможно применение направленной антенны, которая концентрирует энергию в избранном направлении, формируя луч (beam). Абонент подвижен, ни своего местоположения, ни положение базовой станции он не знает (или не имеет средств наведения антенн).

К такому сценарию относятся все виды обслуживания, когда стационарная базовая станция обслуживает подвижных абонентов (сотовая связь, репитеры для военных или гражданских раций, телерадиовещание на подвижных абонентов, спутниковая связь с подвижными абонентами, наземные станции космической связи обслуживающие высокоподвижные космические зонды). Антенна базовой станции имеет умеренную направленность и формирует луч для обслуживания желаемой зоны пространства. В идеале в любой точке зоны обслуживания на одинаковом расстоянии R от базы будет одинаковая плотность потока энергии Вт/м2. Антенна подвижного корреспондента должна быть всенаправленная (изотропная).

В третьем случае, если обе стороны знают о расположении другой стороны и имеют возможность направить туда свои антенны – можно существенно сэкономить энергию или увеличить скорость связи при тех же затратах энергии, за счет концентрации луча в пространстве.

К такому сценарию относятся все стационарные линии точка-точка: радиорелейные, WiFi точка-точка, радиолюбительская связь между 2 абонентами использующими направленные антенны; малоподвижные абоненты с возможностью точного позиционирования антенн на корреспондента (наземная станция космической связи и космическая станция с сервоприводами направленных антенн или двигателями позиционирования всей станции с жестко прикрепленной направленной антенной; перспективные модемы 5G mmWave или StarLink Илона Маска с автоматической настройкой луча активной фазированной решеткой АФАР; перспективные massive-MIMO модемы и базовые станции 4G/5G использующие большое количество антенн как АФАР)

Вернемся к формулам Фрииса

Здесь r (receiver) и t (transmitter) относятся к приемной и передающей антеннам, Pr/Pt – соотношение мощности на клеммах приемной антенны к мощности на передающей (больше – лучше), d – расстояние в тех же единицах измерения что и λ (например, в метрах)

Апертура антенны A (то же что «Эффективная/действующая площадь») связана с диаграммой направленности (ДН) антенны и её КНД (D = Directivity):

Для антенны в режиме приема эффективная площадь антенны (используется также термин эффективная поверхность антенны) характеризует способность антенны собирать (перехватывать) падающий на неё поток мощности электромагнитного излучения и преобразовывать этот поток мощности в мощность на нагрузке.

Независимо от типа и конструкции антенны, её апертура A и направленность D связаны математически через длину волны.

У всенаправленной (изотропной) антенны D=1 (0 dBi). Идеального изотропного излучателя на практике не существует, наиболее близким аналогом является обычный полуволновый диполь, у которого D ~1.64 (2.15 dBi)

Сравним апертуру полуволнового диполя (или его аналога – четвертьволновый штырь с противовесом), у которого КНД = 2.15 dBi

Передающая антенна во всех диапазонах формирует одинаковую, близкую к сферической, диаграмму излучения. Плотность потока мощности Вт/м 2 от всех источников на одинаковом расстоянии R будет одинаковая.

Но поскольку апертура приемной (тоже всенаправленной) антенны отличается на порядки, то и количество собранной энергии из той же плотности потока будет сильно отличаться.

Возьмем некий абстрактный канал связи, в котором мощность передатчика TX=1W, а чувствительность приемника -101 dBm (2 мкВ при 50 Ом нагрузке). В открытом пространстве (препятствия, поглощения, отражения, помехи здесь не рассматриваем), дальность связи составит:

В открытом пространстве (пока дальность не ограничена видимостью), увеличение частоты в 2 раза увеличивает требования к мощности передатчика в 4 раза. При одинаковой мощности передатчика, увеличение частоты в 2 раза снижает дальность тоже в 2 раза.

Именно этот эффект является доминирующим для объяснения, почему:

  • CDMA/LTE-450 дальнобойнее за GSM-900, который в свою очередь дальнобойнее за GSM-1800.
  • WiFi-2400 дальнобойнее за WiFi-5400
  • Рации 27-40 МГц дальнобойнее за 144-174, которые в свою очередь дальнобойнее за 433-470

В сценарии №2, если на одной стороне разрешено использовать малонаправленную (секторную) антенну ситуация точно такая же как и в сценарии №1, только мощность передатчика может быть уменьшена на усиление антенны базовой станции. Поскольку требуемый сектор обслуживания не зависит от частоты, то направленность антенны БС нужна одинаковая (апертура антенны БС при этом конечно будет разной на разных диапазонах). При направленности БС 12 dBi (на 10 dB или в 10 раз больше чем у диполя 2 dBi) – выигрыш в мощности составит 10 dB (10 раз), дальность связи на мобильного абонента может быть такая же, как в предыдущей таблице, но уже при TX=0.1W. Для 5400 МГц она опять составит 25.7 км, а для 27 МГц – 5142 км.

В сценарии №3 возможны очень различные комбинации решений.

Если отбросить конструктивные ограничения и сложности, то при равной площади (апертуре) обоих антенн направленность обоих антенн Dr и Dt пропорциональна квадрату частоты. Поэтому эффективность приемной антенны останется неизменной (из одного и того же потока плотности Вт/м 2 будет извлечена одинаковая мощность на клеммах, независимо от частоты), а направленность передающей антенны увеличится пропорционально квадрату частоты. При увеличении частоты в 2 раза, луч станет тоньше в 4 раза, плотность потока Вт/м 2 в направлении на абонента увеличится в 4 раза.

При равных ограничениях на габариты/вес антенн, более высокие частоты более выгодны энергетически.

На практике же реализовать такое фундаментальное преимущество не так просто.

К антеннам с фиксированной частотно-независимой апертурой относятся только зеркальные параболические антенны. Количество энергии, которое собирает такое зеркало, не зависит от частоты, а луч диаграммы направленности становится более тонким с ростом частоты.
Но сложность в производстве параболической антенны заданного диаметра зависит не только от диаметра. Чем более высокая частота, тем более высокие требования к точности поверхности зеркала и более высокие требования к точности позиционирования и вообще жесткости всей конструкции.

С другими, незеркальными антеннами, ситуация намного сложнее. Все конструкции таких антенн могут быть описаны в частотно-независимых размерах (в лямбдах) и имеют фиксированную диаграмму направленности, присущую этому типу антенн, которая не зависит от выбранной частоты проектирования. Иными словами, например 7-элементная антенна волновой канал (Уда-Яги) будет иметь одинаковую диаграмму направленности и усиление ~10 dBi независимо на какую частоту её рассчитать: на 30 МГц или на 3000 МГц. Во втором случае её апертура будет в 10 000 раз меньше. Просто так, взять и увеличить размеры какого-то типа антенн чтобы увеличить апертуру – нельзя. Добавление каких-либо пассивных (паразитных) структур добавляет направленности очень незначительно (по сравнению с ростом габаритов) и лишь до небольших значений порядка 16 dBi (40 раз).

Дальнейшее повышение апертуры, которое соответствует направленности более 16 dBi на практике возможно только соединением многих антенн в ФАР (фазированную антенную решетку). Теоретически удвоение количества элементов в решетке может увеличивать апертуру в 2 раза, т.е. формировать в 2 раза более тонкий луч с усилением +3 dB. Но практически построение таких ФАР сопряжено с большими трудностями: сигнал от единого источника надо согласованными (по волновому сопротивлению) волноводами синфазно доставить к каждому из N элементов решетки.

Для небольшого количества элементов, например 2х2, 2х4, 3х3 такая задача решаема, а для бОльшего количества элементов она настолько сложна, что всегда проигрывает зеркальным параболическим антеннам, с помощью которых легко создается направленность 20-40 dBi, а в больших проектах (как наземные станции дальней космической связи) достигает 70 dBi (усиление параболической антенны диаметром 70 метров на частоте 5885 МГц).

Для примера рассчитаем дальность связи линии «точка-точка» с TX=1W, чувствительностью -101 dBm с парой параболических антенн диаметром D=1 метр и эффективностью использования апертуры k=60% (типичное значение для современных облучателей зеркала)

Для расчета КНД параболического зеркала воспользуемся формулой:


Увеличение частоты в 2 раза увеличивает дальность в 2 раза или позволяет применить на одной из сторон антенну с диаметром апертуры меньше в 2 раза, или с каждой стороны уменьшить диаметр антенны в SQRT(2) ~ 1,4 раза.

Требования к точности наведения луча (юстировки антенны на абонента) тоже растут пропорционально квадрату частоты.

В этой статье мы НЕ рассматриваем вообще другие вопросы, такие как отражение, дифракция, рефракция, поглощение в газах, препятствиях, атмосфере, ионосфере, шумовая и помеховая обстановка

Выводы

Повышение частоты радиосвязи может давать как преимущества так и недостатки в зависимости от сценария применения (техзадания).

В условиях подвижной безподстроечной связи низкие частоты более выгодны, т.к. апертура всенаправленной антенны пропорциональна квадрату длины волны. Увеличение длины волны в 2 раза увеличивает апертуру антенны в 4 раза. Это дает возможность или увеличить дальность в 2 раза (в условиях видимости и ограничения дальности связи по энергетическому бюджету) или снизить мощность передатчика в 4 раза при прочих равных.

По этой причине военные ранцевые, автомобильные и танковые рации продолжают проектироваться на самый низ диапазона УКВ – от 27 до 50 МГц, в то время как гражданская и коммерческая связь неумолимо осваивает всё более высокие частоты.

Полуволновый диполь (или четвертьволновый штырь с противовесом) на низких частотах более крупные, что является с одной стороны недостатком. С другой стороны именно этот недостаток и позволяет собирать из пространства больше энергии.

В условиях линий точка-точка низкие частоты тоже более выгодны во всех случаях, кроме применения параболических антенн с фиксированной апертурой. Для антенн с одинаковой направленностью апертура убывает пропорционально квадрату роста частоты. При росте частоты в 2 раза, размеры антенны того же типа уменьшаются в 2 раза (в каждом измерении, т.е. объем уменьшается в 8 раз), но расплатой за этой является снижение в 4 раза апертуры такой антенны.

А вот в линиях «точка-точка» с параболическими антеннами – наоборот переход на более высокие частоты позволяет при тех же диаметрах зеркала улучшать энергетический бюджет в 4 раза при росте частоты в 2 раза. Повышение частоты в 2 раза позволяет:

  • при прочих равных увеличить дальность в условиях видимости в 2 раза
  • при той же дальности уменьшить мощность излучения в 4 раза
  • при прочих равных увеличить в 4 раза скорость линии

Расплатой за такое повышение являются повышенные требования к прецизионности изготовления, как самой антенны, так и механизма наведения (юстировки) на абонента.

Что такое радиоволны

Радиоволнами считают электромагнитные колебания, которые способны распространяться в пространстве, имея скорость света (300 тысяч км/секунда). Кстати свет тоже относят к электромагнитным волнам. Это и определяет их похожие свойства (характеристики отражения, преломления, затухания и т.п.).

Радиоволны могут переносить сквозь пространство энергетические потоки, излучаемые генераторами электромагнитных колебаний. Их рождение происходит при изменении электрических полей, например, когда через проводники проходит переменный электроток или когда через пространство проскочила искра, т.е. импульсы тока, быстро следующие один за другим.Характеризуется электромагнитное излучение частотой, мощностью переносимой энергии, длиной волны. Частота электромагнитной волны показывает, какое количество раз в секунду происходит изменение в излучателе направления электрического тока и, соответственно, какое количество раз в секунду происходит изменение в каждой точке пространства величины электрического, магнитного полей. Измеряют частоту в герцах (сокр. Гц) – единицы, которые названы именем величайшего немецкого ученого Г. Р. Герца. 1 Гц соответствует одному колебанию в секунду, а 1 мегагерц (сокр. МГц) – миллиону колебаний за секунду.

Учитывая, что скорость движения электромагнитной волны равна скорости света, возможно определить показатели расстояния между точками пространства, в которых электрическое (иногда магнитное) поле будет находиться в одинаковой фазе. Данное расстояние называют длиной волны. Длину волны (в метрах) рассчитывают как соотношение скорости света взятой в метрах к частоте электромагнитного излучения взятой в МГц. Такое соотношение показывает, к примеру, что при частотах 1МГц длина волны будет составлять 300 метров. Увеличение частоты ведет к уменьшению длины волны, уменьшение частоты к увеличению длины волны.

Знания длины волны очень важны при выборе антенн для радиосистем, поскольку от нее напрямую будет зависеть длина антенн. Электромагнитная волна свободно проходит через космическое пространство или воздух. Но если на дороге волны встречаются металлические провода, антенны или любые другие проводящие тела, то они вынуждены отдавать им свою энергию, тем самым вызывая в этих проводниках электрический переменный ток. Тем не менее, не вся волновая энергия поглощается проводниками, часть ее будет отражаться от поверхности. К слову, на этом основывается применение в радиолокации электромагнитных волн.

Еще одно полезное свойство электромагнитной волны (впрочем, как и всякой другой волны) является ее способность огибать на своем пути все тела. Но таковое возможно только в том случае, если размер тела меньше самой длина волны, или хотя бы сравним с ней. К примеру, чтобы обнаружить небольшой самолет, длина радиоволн локаторов должна быть чуть меньше его геометрического размера (менее 10 метров). Если же тела больше, чем длина волн, они могут отразить ее. Но могут и не отразить – тут вспоминается американский самолет-невидимка «Stealth».

Энергия от электромагнитных волн зависит от уровня мощности генераторов (излучателей) и расстояния до них. По научному последнее звучит так: потоки энергии, приходящиеся на единицу площади, являются прямо пропорциональными мощности излучения, а обратно пропорциональными квадрату расстояния до излучателей. Это означает, что дальность связи будет зависеть от мощностей передатчиков, но в большей степени от показателей удаленности. Например, потоки энергетического солнечного электромагнитного излучения на поверхность Земли достигают 1 киловатта на один квадратный метр, а потоки энергии вещательной средневолновой радиостанции – всего тысячные, а иногда и миллионную долю ватта на метр квадратный.

Распределение спектра. Используемые в радиотехнике радиоволны (радиочастоты) занимают область, говоря более научно, определенный спектр. Это только часть от обширного спектра электроволн. За радиоволной (по убывающей длине) по очереди следуют тепловой или инфракрасный лучи. После них — узкий промежуток волн видимого света, затем – спектры рентгеновских, ультрафиолетовых, а также и гамма лучей – они все считаются электромагнитными колебаниями единой природы, которые отличаются только по длине волны и, соответственно, частоте. Хотя весь спектр разбивают на области, границу между ними намечают условно. Одна область следует непрерывно за другой, переходит одна в другую, а в некоторой ситуации перекрываются.

По международным соглашениям полный спектр радиоволн, используемых в радиосвязи, разбивают на диапазоны. Эти диапазоны весьма обширные и, в свою очередь, их разбивают на участки, куда входит так называемые радиовещательный и телевизионный диапазон, диапазон для наземных, авиационных и космических, морских центров связи, для медицины и передачи данных, для радиолокации с радионавигацией и т.п. Каждой радиослужбе выделяется свой участок из диапазона или фиксированная частота. Эта разбивка довольно запутанная, поэтому многие службы применяют «внутреннюю» терминологию. Обычно для обозначения диапазонов, которые выделены для подвижной наземной связи используют определенные названия. Не следует путать официальные наименования диапазона частот с названием участков, которые выделены для различных служб.

Как распространяется радиоволна? Радиоволна излучается посредством антенн в пространство и распространяется в виде электромагнитного поля. Даже учитывая, что природа радиоволн одинаковая, их способности к распространению напрямую зависит от длины волн.Земля для радиоволны является проводником электричества (хотя и не достаточно хорошим). Проходя над земной поверхностью, радиоволна постепенно ослабевает. Это связывают с тем, что электромагнитная волна возбуждает в земной поверхности электротоки, на что и затрачивается часть энергии. Таким образом, энергию поглощает земля, особенно в случае волн с короткой длиной волны.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *