Микроволновое излучение применение. Влияние на организм сверхвысокочастотного электромагнитного (СВЧ-ЭМ) поля. Патогенез влияния СВЧ-поля на организм человека
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ (КПИ)
Факультет военной подготовки
Реферат
по дисциплине
«Основы построения и устройства ЗРК»
«Понятие об СВЧ диапазоне радиоволн.
Особенности их распространения»
Введение
Понятие радиолокации включает в себя процесс обнаружения и определения местоположения различных объектов в пространстве с использованием явления отражения радиоволн от этих объектов.
В связи с этим характеристики используемых радиоволн и особенности их распространения в различных условиях имеют первостепенное значение для достижения требуемого результата.
Электромагнитные колебания сверхвысокой частоты (СВЧ колебания), представляют для нас особый интерес, так как соответствующий им диапазон УКВ имеет определенные преимущества по сравнению с волнами других диапазонов.
1. Понятие об СВЧ радиоволнах
В радиолокации используются электромагнитные колебания сверхвысокой частоты, которым соответствует диапазон УКВ. В следующей таблице приведено принятое деление диапазона УКВ:
Применение диапазонов УКВ объясняется преимуществами, свойственными радиоволнам этого диапазона по сравнению с волнами других диапазонов.
Радиоволны УКВ диапазона хорошо отражаются от предметов, встречающихся на пути их распространения. Это позволяет получать интенсивные сигналы, отраженные от целей, облученных радиолокационной станцией. В диапазоне УКВ легче получить остронаправленный радиолуч, необходимый для измерения угловых координат цели. В этом диапазоне наблюдается значительно меньше индустриальных помех.
Первые радиолокационные станции работали в метровом диапазоне; они имели низкую разрешающую способность и невысокую точность определения угловых координат целей. В настоящее время в радиолокации практически применяют почти весь сантиметровый диапазон волн и начинают осваивать миллиметровый диапазон. В этих диапазонах радиолокационные станции имеют относительно малогабаритные антенны, отличающиеся остронаправленным действием и обладающие высокой разрешающей способностью, необходимой для повышения точности определения угловых координат объектов.
2. Особенности распространения СВЧ радиоволн
По аналогии со световыми волнами УКВ распространяются прямолинейно и огибают лишь предметы, имеющие геометрические размеры, соизмеримые с длиной волны. Огибание препятствий радиоволнами дифракция, сказывается тем сильнее, чем больше длина волны и чем меньше размеры препятствия. На границе двух сред происходит отражение радиоволн по закону оптики – угол падения равен углу отражения. Частичное преломление радиоволн также происходит по законам оптики. Крупные искусственные сооружения и горы, встречающиеся на пути радиоволн, а также сферическая форма земли препятствуют распространению радиоволн вдоль земли. Дальность радиолокационной станции обнаружения ограничивается обычно прямой видимостью между ее антенной и целью. Дальность прямой видимости (геометрической) может быть определена по формуле:
где h – высота подъема антенны РЛС над землей в метрах,
H – высота цели над землей в метрах.
Эта формула легко выводится из простых геометрических соотношений с учетом радиуса земного шара, равного 6400 км. На дальность действия радиолокационной станции обнаружения оказывают влияние многие причины. Распространение СВЧ волн в нижних слоях атмосферы зависит от влажности, температуры и атмосферного давления. Верхние слои атмосферы, где под влиянием солнца и космических лучей происходит ионизация газа (расщепление электрически нейтральных атомов), оказывают влияние на распространение только самых длинных волн диапазона УКВ. При распространении радиоволн в более плотных слоях атмосферы проявляется эффект преломления радиоволн из-за неоднородности слоев атмосферы. Плавное отклонение луча от прямолинейного пути его распространения называется рефракцией. Радиоволны, проникая в более плотные слои, уменьшают свою скорость и, наоборот, выходя из плотных слоев, увеличивают ее. В результате радиолуч отклоняется от прямолинейного участка либо выпуклостью вверх, огибая землю, либо выпуклостью вниз, удаляясь от земной поверхности. Дальность действия РЛС при этом соответственно либо возрастает, либо уменьшается.
Особый интерес представляет явление критической рефракции или сверхрефракции, когда кривизна луча равна или больше кривизны земного шара. При таком распространении радиоволн дальность их действия превосходит во много раз дальность прямой видимости. В технике этот случай распространения радиоволн называют волноводным. Наблюдения подтверждают возможность достаточно устойчивого приема УКВ на расстояниях, доходящих до 1000 км.
Как и для световых волн, для радиоволн характерно явление интерференции или взаимодействия фаз радиоволн, распространяющихся в пространстве. При взаимодействии радиоволн, имеющих одинаковые амплитуды, но находящихся в противофазе, результирующее поле будет равно нулю. Это явление оказывается вредным и вызывает мерцание отметок от целей на экране радиолокатора.
Большое влияние на распространение радиоволн короче 30 см в нижних слоях атмосферы оказывают гидрометеоры (дождь, туман, облака и т. д.). Затухание радиоволн в парах воды особенно сильно сказывается для сантиметрового диапазона. Затухание радиоволн в атмосфере может заметно уменьшать дальность действия при больших расстояниях. На малых расстояниях оно сказывается незначительно. На миллиметровых волнах поглощение сказывается на определенных длинах волн и обусловливается молекулярным строением входящих в атмосферу газов. Затухание в атмосфере требуется учитывать для волн короче 10 см, так как на этих волнах дальность действия РЛС заметно уменьшается при наличии тумана, облаков и дождя. Так, сильный дождь вызывает затухание 0,3 – 0,4 дб/км для радиоволн длиной 3 – 5 см.
Заключение.
Достижения науки и техники в области создания мощных генераторов волн диапазона УКВ (соответственно СВЧ волн) позволяют сейчас создавать импульсные передатчики, обеспечивающие необходимую форму и минимальную длительность генерируемых импульсов.
Широкое применение СВЧ волн в радиолокации объясняется преимуществами радиоволн этого диапазона.
Литература
1. Ермолаев Г.И., Основы радиолокации и радиолокационное оборудование летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1967.
2. Бакулев П.А., Радиолокация движущихся целей. – М.: Советское Радио, 1964.
3. Сайбель А.Г., Основы радиолокации. – М.: Советское Радио, 1961.
Добрый день, уважаемые хабровчане.
Этот пост будет про недокументированные функции микроволновой печи. Я покажу, сколько полезных вещей можно сделать, если использовать слегка доработанную микроволновку нестандартным образом.
В микроволновке находится генератор СВЧ волн огромной мощности
Мощность волн, которые используются в микроволновке, уже давно будоражит моё сознание. Её магнетрон (генератор СВЧ) выдаёт электромагнитные волны мощностью около 800 Вт и частотой 2450 МГц. Только представьте, одна микроволновка вырабатывает столько излучения, как 10 000 wi-fi роутеров, 5 000 мобильных телефонов или 30 базовых вышек мобильной связи! Для того, что бы эта мощь не вырвалась наружу в микроволновке используется двойной защитный экран из стали.Вскрываю корпус
Сразу хочу предупредить, электромагнитное излучение СВЧ диапазона может нанести вред вашему здоровью, а высокое напряжение вызвать летальный исход. Но меня это не остановит.Сняв крышку с микроволновки, можно увидеть большой трансформатор: МОТ . Он повышает напряжение сети с 220 вольт до 2000 вольт, что бы питать магнетрон .
В этом видеоролике я хочу показать, на что способно такое напряжение:
Антенна для магнетрона
Сняв магнетрон с микроволновки я понял, что включать просто так его нельзя. Излучение распространится от него во все стороны, поражая всё вокруг. Не долго думая я решил смастерить направленную антенну из кофейной банки. Вот схема:Теперь всё излучение направленно в нужную сторону. На всякий случай я решил проверить эффективность этой антенны. Взял много маленьких неоновых лампочек и выложил их на плоскости. Когда я поднёс антенну с включенным магнетроном, то увидел, что лампочки загораются как раз там где нужно:
Необычные опыты
Сразу хочу отметить, СВЧ значительно сильнее влияет на технику, чем на людей и животных. Даже в 10 метрах от магнетрона, техника давала сильные сбои: телевизор и муз-центр издавали страшный рычащий звук, мобильный телефон вначале терял сеть, а потом и вовсе завис. Особо сильное влияние магнетрон оказывал на wi-fi. Когда я поднёс магнетрон близко к музыкальному центру, с него посыпались искры и к моему удивлению он взорвался! При детальном осмотре обнаружил, что в нём взорвался сетевой конденсатор. В этом видео я показываю процесс сборки антенны и влияние магнетрона на технику:Используя не ионизирующее излучение магнетрона можно получить плазму. В лампе накаливания, поднесённой к магнетрону, зажигается ярко светящийся желтый шар, иногда с фиолетовым оттенком, как шаровая молния. Если вовремя не выключить магнетрон, то лампочка взорвётся. Даже обычная скрепка, под воздействием СВЧ превращается в антенну. На ней наводится ЭДС достаточной силы, что бы зажечь дугу и расплавить эту скрепку. Лампы дневного света и «экономки» зажигаются на достаточно большом расстоянии и светятся прямо в руках без проводов! А в неоновой лампе электромагнитные волны становятся видимыми:
Хочу вас успокоить, мои читатели, ни кто из моих соседей не пострадал от моих опытов. Все ближайшие соседи сбежали из города, как только в Луганске начались боевые действия.
Техника безопасности
Я настоятельно не рекомендую повторять описанные мною опыты потому, что при работе с СВЧ требуется соблюдать особые меры предосторожности. Все опыты выполнены исключительно с научной и ознакомительной целью. Вред СВЧ излучения для человека ещё не до конца изучен. Когда я близко подходил к рабочему магнетрону я чувствовал тепло, как от духовки. Только изнутри и как бы точечно, волнами. Больше ни какого вреда я не ощутил. Но всё же настоятельно не рекомендую направлять рабочий магнетрон на людей. Из-за термического воздействия может свернуться белок в глазах и образоваться тромб в крови. Так же ведутся споры о том, что такое излучение может вызвать онкологические и хронические заболевания.Необычные применения магнетрона
1 - Выжигатель вредителей. СВЧ волны эффективно убивают вредителей, и в деревянных постройках, и на лужайке для загара. У жучков под твёрдым панцирем есть влагосодержащее нутро (какая мерзость!). Волны его в миг превращают в пар, при этом не причиняя вреда дереву. Я пробовал убивать вредителей на живом дереве (тлю, плодожорок), тоже эффективно, но важно не передержать потому, что дерево тоже нагревается, но не так сильно.2 - Плавка металла. Мощности магнетрона вполне хватает для плавки цветных металлов. Только нужно использовать хорошую термоизоляцию.
3 - Сушка. Можно сушить крупы, зерно и т. п. Преимущество этого метода в стерилизации, убиваются вредители и бактерии.
4 - Зачистка от прослушки. Если обработать магнетроном комнату, то можно убить в ней всю нежелательную электронику: скрытые видеокамеры, электронные жучки, радиомикрофоны, GPS слежение, скрытые чипы и тому подобное.
5 - Глушилка. С помощью магнетрона легко можно успокоить даже самого шумного соседа! СВЧ пробивает до двух стен и «успокаивает» любую звуковую технику.
Это далеко не все возможные применения испытанные мной. Эксперименты продолжаются и вскоре я напишу ещё более необычный пост. Всё же хочу отметить, что использовать так микроволновку опасно! Поэтому лучше так делать в случаях крайней необходимости и при соблюдении правил безопасности при работе с СВЧ.
На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением и микроволнами.
Кем были изобретены микроволновки и чем все закончилось?
Первые микроволновки были изобретены немецкими учеными по заказу нацистов. Сделано это было для того, чтобы не тратить времени на приготовление пищи и не везти с собой тяжелое горючее для печей в холодные русские зимы. В процессе эксплуатации выяснялось, что еда, приготовленная в них, отрицательно влияла на здоровье солдат и от её использования отказались.
В 1942-1943 годах эти исследования попали в руки американцев и были засекречены.
В то же время несколько микроволновых печей попали в руки русским и были тщательно изучены советскими учеными в Белорусском Радио Технологическом институте и в закрытых исследовательских институтах Урала и Новосибирска (д-ра Луриа и Перов) . В частности был изучен их биологический эффект, то есть влияние СВЧ излучения на биологические объекты.
Результат:
В Советском Союзе издали закон, запрещающий использование печей на основе СВЧ излучения из-за их биологической опасности! Советы опубликовали международное предупреждение о вреде микроволновой печи и других аналогичных электромагнитных устройств для здоровья и окружающей среды.
Эти данные немного настораживают, не правда ли?
Продолжая работу, советские ученые исследовали тысячи рабочих, которые работали с радарными установками и получали микроволновое излучение. Результаты были настолько серьезны, что был установлен строгий лимит излучения в 10 микроватт для работников и 1 микроватт для гражданских лиц.
Принцип работы микроволновой печи:
Микроволновое излучение, Сверхчастотное излучение (СВЧ излучение) - электромагнитные излучения, включающие в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см - частота 1 ГГц до 1 мм - 300 ГГц).
Микроволны являются одной из форм электромагнитной энергии, как и световые волны или радиоволны. Это очень короткие электромагнитные волны, которые перемещаются со скоростью света (299,79 тысяч км в секунду). В современной технике микроволны используются в микроволновой печи, для междугородной и международной телефонной связи, передачи телевизионных программ, работы Интернета на Земле и через спутники. Но микроволны наиболее известны нам в качестве источника энергии для приготовления пищи - микроволновая печь.
Каждая микроволновая печь содержит магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электрическое поле частотой 2450 МГц или 2,45 ГГц, которое и взаимодействует с молекулами воды в пище. Микроволны «атакуют» молекулы воды в пище, заставляя их вращаться с частотой миллионы раз в секунду, создавая молекулярное трение, которое и нагревает еду.
В чем же вред микроволновки?
Для тех, кто знает о вредном влиянии мобильных телефонов должно быть понятно, что мобильный телефон работает на тех же частотах, что и микроволновка. Для тех, кто не знаком с данной информацией, ознакомьтесь с информацией «Влияние мобильных телефонов на человека» .
Мы расскажем о четырех факторах, свидетельствующих о том, что вред микроволновки имеет место быть.
Во-первых , это сами электромагнитные излучения, точнее их информационная составляющая. В науке она называется торсионным полем.
Экспериментально установлено, что электромагнитные излучения имеют торсионную (информационную) компоненту. Согласно исследованиям специалистов из Франции, России, Украины и Швейцарии именно торсионные поля, а не электромагнитные, являются основным фактором негативного влияния на здоровье человека. Так как именно торсионное поле передает человеку всю ту негативную информацию, от которой начинаютсья головные боли, раздражения, бессонница и т.д.
Кроме того, нельзя забывать и о температуре. Конечно, это касается длительного отрезка времени и постоянного использования микроволновки.
Наиболее вредным для организма человека, с точки зрения биологии, является высокочастотное излучение сантиметрового диапазона (СВЧ), дающее электромагнитные излучения наибольшей интенсивности.
СВЧ излучение непосредственно нагревает организм, ток крови уменьшает нагревание (это относится к органам, богатым кровеносными сосудами). Но есть органы, например хрусталик, не содержащие кровеносных сосудов. Поэтому волны СВЧ, т.е. значительное тепловое воздействие, приводят к помутнению хрусталика и его разрушению. Эти изменения необратимы.
Электромагнитные излучения нельзя увидеть, услышать или явственно почувствовать. Но оно существует и действует на организм человека. Точно механизм воздействия электромагнитного изучения еще не изучен. Влияние этого излучения проявляется не сразу, а по мере накопления, поэтому бывает сложно отнести то или иное заболевание, внезапно возникшее у человека, на счет приборов, с которыми он контактировал.
Во-вторых
, это влияние СВЧ излучения на пищу. B результате воздействия электромагнитного излучения на вещество возможна ионизация молекул, т.е. атом может приобрести или потерять электрон, – а это меняет структуру вещества.
Излучение приводит к разрушению и деформации молекул пищи. Микроволновая печь создает новые соединения, не существующие в природе, называемые радиолитическими. Радиолитические соединения создают молекулярную гниль - как прямое следствие радиации.
- Мясо, приготовленное в микроволновой печи содержит Nitrosodienthanolamines, хорошо известный канцероген;
- Некоторые аминокислоты в молоке и хлопьях превращались в канцерогены;
- Размораживание замороженных фруктов в микроволновых печах превращает их глюкозиды и галактозиды в частицы, содержащие канцерогенные элементы;
- Даже очень короткое облучение в микроволновой печи сырых овощей превращает их алкалоиды в канцерогены;
- Канцерогенные свободные радикалы формируются в растениях в микроволновой печи, особенно в корнеплодах;
- Уменьшается ценность пищи от 60% до90%;
- Исчезает биологическая активность витамина В (complex), витаминов С и Е, также во многих минералах;
- Разрушаются в разной степени в растениях алкалоиды, глюкозиды, галактозиды и нитрилозиды;
- Деградация нуклео-протеинов в мясе. Роберт Беккер в своей книге ‘Электричество тела’, ссылаясь на исследования Российских ученых, описывает заболевания связанные с микроволновой печью.
Факты:
Некоторые из аминокислот L-пролина, входящие в состав молока матери, а также в молочные смеси для детей, под воздействием микроволн преобразуются в d-изомеры, которые считаются нейротоксичными (деформируют нервную систему) и нефротоксичными (ядовитыми для почек). Это беда, что многих детей вскармливают на искусственных заменителях молока (детское питание), которые становятся еще более токсичными благодаря микроволновым печам.
Проведенное краткосрочное исследование показало, что у людей, употреблявших приготовленные в микроволновой печи молоко и овощи, изменился состав крови, понизился гемоглобин и повысился холестерин, тогда как у людей, употреблявших ту же пищу, но приготовленную традиционным способом, состояние организма не менялось.
Пациентка больницы Норма Левит перенесла несложную операцию на коленке, после чего скончалась от переливания крови. Обычно перед переливанием кровь подогревают, но не в микроволновой печи. На этот раз медсестра подогрела кровь в микроволновой печи, не подозревая об опасности. Испорченная микроволновкой кровь убила Норму. То же самое проиcxодит и с пищей, которая подогревается и готовится в микроволновках. Хотя и суд состоялся, но об этом случае не трезвонили газеты и журналы.
Исследователи Венского университета установили, что при нагревании микроволнами нарушается атомный порядок аминокислот. По мнению исследователей, это вызывает обеспокоенность, потому что эти аминокислоты встраиваются в протеины, которые они затем структурно, функционально и иммунологически изменяют. Таким образом, протеины – основы жизни – меняются в пище микроволнами.
В-третьих , СВЧ излучения приводят к ослаблению клеток нашего организма.
В генной инженерии существует такой способ: чтобы проникнуть в клетку, ее слегка облучают электромагнитными волнами и этим ослабляют клеточные мембраны. Так как клетки практически сломаны, то клеточные мембраны не могут предохранить клетку от проникновения вирусов, грибков и других микроорганизмов, также подавляется естественный механизм самовосстановления.
В-четвертых , микроволновая печь создает радиоактивный распад молекул с последующим образованием новых неизвестных природе сплавов, как обычно при радиации.
Вред микроволновки теперь не кажется таким уж нереальным?
Влияние СВЧ излучения на здоровье человека
В результате употребления приготовленной в микроволновой печи пищи сначала понижается пульс и давление, а затем возникает нервозность, повышенное давление, головные боли, головокружение, боль в глазах, бессонница, раздражительность, нервозность, боли в желудке, неспособность концентрироваться, потеря волос, увеличение случаев аппендицитов, катаракты, репродуктивные проблемы, рак. Эти xронические симптомы обостряются при стрессах и заболеваниях сердца.
Потребление пищи, облученной в микроволновой печи, способствует образованию повышенного числа раковых клеток в сыворотке крови.
Согласно статистике, у большого числа людей пища, облученная в микроволновой печи, вызывает опухоли, напоминающие раковые в желудке и в пищеварительном тракте, кроме того, общее перерождение периферийной клеточной ткани с постоянным расстройством функций системы пищеварения и выделения.
Таким образом, пища, изменённая микроволнами, наносит вред пищеварительному тракту и иммунной системе человека и может, в конечном счёте, вызвать рак.
Кроме того, нельзя забывать и о самом электромагнитном излучении. Особенно это касается беременных и детей.
Наиболее подвержены влиянию электромагнитных полей кровеносная система, эндокринная система, головной мозг, глаза, иммунная и половая системы.
Что касается беременных, то здесь нужно быть предельно внимательными. Неограниченные «прогулки» по электромагнитным полям во время беременности могут привести к самопроизвольным абортам, преждевременным родам, появлению врожденных пороков развития у детей.
Подробнее о влиянии электромагнитных полей в разделе «Влияние электромагнитного излучения на человека» .
Целью данного сайта не является запугивание. Мы предупреждаем.
Никто не говорит, что завтра у вас будет расстройства с психикой или, не дай бог, обнаружат что-то в мозге.
Вред СВЧ излучения зависит от его интенсивности и времени воздействия. Современные микроволновые печи не смогут убить вас… завтра или через год…
Ученые говорят о последствиях через 10-15 лет.
О чем это говорит?
1. Если вам сегодня 20-25, то еще будучи молодым человеком (до 35-40 лет), вы рискуете остаться инвалидом, или родить инвалида, или же не родить его вообще, заметно сократить срок жизни себе и своему ребенку.
2. Если вам около 30-40, то, возможно, вы не увидите своих внуков или рискуете болезненной старостью. Кроме того, вы влияете на развитие и даже жизнь ваших детей.
3. Если вам около 50 и больше, обратитесь к пункту 2. Вас это тоже касается.
Вам это надо?
Не лучше ли обеспечить себе защиту от электромагнитного излучения и отказаться от приема пищи из микроволновки?
Эти волны занимают полосу частот от 3 до 300 ГГц. Тут могут одновременно работать большое количество радиоэлектронных средств различного назначения без взаимных помех. Именно в этом диапазоне волн появляется принципиальная возможность для работы устройств, имеющих широкие полосы рабочих частот. Повышение рабочей (несущей) частоты радиосигнала позволяет увеличить информационную емкость
С ∆ω (где ∆ω – полоса частот, занимаемая радиосигналом) канала связи, т.е. фактически скорость передачи (приема) информации. Это, в свою очередь, дает возможность применять комбинированные виды модуляции радиосигнала (амплитудно-фазовую, импульсно-кодовую и т.п.), что существенно увеличивает скрытность, помехозащищенность радиоканала..
Другим обстоятельством, диктующим потребность резкого повышения рабочей частоты, например, радиолокатора, является необходимость увеличения его разрешающей способности как по дальности, за счёт применения сложных широкополосных зондирующих сигналов, так и по угловым координатам. Разрешающая способность по угловым координатам зависит от ширины диаграммы направленности радиотехнического средства, которая определяется размером антенны и законом амплитудно-фазового распределения поля в её раскрыве. Вот почему сейчас интенсивно осваивается как диапазон СВЧ, так и диапазон КВЧ.
К особенностям диапазона СВЧ относятся :
1. Широкополосность – наиболее ценное качество диапазона СВЧ. В трех диапазонах (N = 9...11) с полосой Δƒ = 300 ГГц можно передать за одно и то же время
в 104 раза больше информации, чем в пяти других диапазонах (N=4...8). Широкополосность позволяет применять помехоустойчивые частотную и фазовую модуляции, при которых уровень сигнала на выходе приемника в определенных пределах не зависит от уровня входного сигнала;
2. Хорошие условия для создания антенн, размеры которых на много превышают длину волны, в связи с чем данные антенны обладают остронаправленным излучением;
3. Беспрепятственное прохождение волн СВЧ через слои ионосферы, позволяющие осуществлять связь земных станций и с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и космическими аппаратами. При распространении волн СВЧ вблизи поверхности Земли их дифракция и рефракция малы;
4. Низкий уровень атмосферных и промышленных помех, отсутствие влияния на условия распространения волн времени суток и сезонов года
При работе радиосредств в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах следует учитывать возможность рефракции радиоволн, поглощения и рассеяния их как ионосферой, так и тропосферой. Соответствующие формулы и графики были приведены ранее. Напомним, что явление сверхрефракции наблюдается чаще над морем, чем над сушей, в теплое время года. Кроме того, для радиосредств дециметрового и метрового диапазонов, работающих с линейно поляризованными сигналами на радиотрассах, проходящих через ионосферу, возможны поляризованные замирания сигналов, связанные с эффектом Фарадея, заключающимся в повороте плоскости поляризации радиоволн.
В последнее время все больший интерес проявляется к диапазону миллиметровых волн. Это обусловлено широкими возможностями применения этих волн в радиолокации, связи, радиометеорологии, радиоастрономии, при изучении природных ресурсов и т.д.
К особенностям миллиметровых радиоволн можно отнести следующее :
1. Возрастание с увеличением частоты волн их затухания из-за гидрометеоров и резонансного поглощения в газах тропосферы. Особенно этот эффект проявляется у миллиметровых волн (ММВ), интенсивно осваиваемых для целей связи. В диапазоне ММВ атмосфера имеет ряд окон прозрачности и пиков поглощения. Радиосвязь, как правило, осуществляется в окнах прозрачности.
Анализ кривых поглощения электромагнитных волн в тропосфере (см. рис. 6.10) показывает, что в миллиметровом диапазоне между частотами резонансного поглощения имеются участки спектра со сравнительно малыми коэффициентами поглощения. Эти участки принято называть «окнами прозрачности» тропосферы. Они расположены в окрестностях длин волн, указанных в табл.7.1
Таблица 7.1 – «Окна прозрачности» тропосферы
Радиосредства различного назначения, работающие в районе этих «окон прозрачности» длин волн, весьма эффективно решают поставленные задачи.
Большее поглощение миллиметровых волн по сравнению с сантиметровыми приводит к снижению дальности связи, что требует повышения энергетического потенциала радиолинии для компенсации затухания.
2. Диапазон ММВ не перегружен, работающие в нем средства связи имеют хорошую электромагнитную совместимость (ЭМС) со средствами связи других диапазонов. Указанное правило нарушается, когда речь идет о распространении продольных ЭМВ (ПЭМВ), существующих в различных средах (плазма, вода, почва и т.д.). Эта волны обладают уникальными свойствами, к сожалению, недостаточно изученными и по сей день, хотя ПЭМВ в плазме (волны X. Альфвена) были известны уже в 20-х гг. прошлого века; .
3. Повышенное затухание в пиках поглощения, позволяющее передавать информацию на СВЧ при низком уровне взаимных помех от различных служб и организовывать скрытую связь на небольших расстояниях вдоль поверхности Земли. Кроме того, частоты, соответствующие пикам поглощения в атмосфере, могут использоваться на космических линиях связи большой протяженности. В этом случае атмосфера выполняет роль заграждающего фильтра по отношению к помехам Земли.
4. ММВ лучше проникают сквозь туман, дым, дождь, пыль, чем волны видимого и инфракрасного диапазонов. Они с небольшим затуханием проходят через плазму, поэтому применяются для связи с ракетами, преодолевающими ионизированную атмосферу. На непрозрачном участке частот радиоволны ММВ полностью поглощаются и связь невозможна, хотя она вполне осуществима на этих же частотах между двумя космическими радиотехническими аппаратами, только канал связи будет в данном случае экранирован от наблюдения с Земли ;
5. Колебания (флуктуации) на приземных линиях связи ММВ амплитуд, фаз, направлений прихода волн, вызываемые их рефракцией в атмосфере и ее неоднородностями, влиянием Земли, а также переотражением волн от поверхностей ИСЗ, самолетов и других объектов, на которых размещается аппаратура ММВ, проявление эффекта многолучевого распространения. На ММВ имеется заметный доплеровский сдвиг частоты.
Вплотную к этому диапазону примыкает инфракрасный диапазон электромагнитных волн, который также успешно используется для работы средств наведения, наблюдения и т.п. Отметим, что с переходом к оптическому диапазону волн коэффициент затухания уменьшается и атмосфера снова становится сравнительно
прозрачной.
Контрольные вопросы
1. Пояснить зависимость плотности свободных электронов от высоты Ни времени суток.
2. Роль слоя F 2 имеющего наибольшую электронную концентрацию?
3. От чего зависит преломление радиоволн в ионосфере?
4. Объяснить траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн.
5. Как выбирать рабочую частоту радиоэлектронного средства?
6. Каковы особенности распространения сверхдлинных и длинных волн?
7. Каковы особенности распространения декаметровых (коротких) волн?
8. Поясните образование зоны молчания.
9. Зачем составляют так называемое волновое расписание?
10. Каковы особенности распространениядиапазона СВЧ?
11. Каковы особенности распространениядиапазона КВЧ?
Литература
1. Бычков А. А. «Электромагнитные волны. Волноводы и объемные резонаторы», Лекции, ВМФ, 1987 г. – 72 с.
2. Бычков А. А. «Особенности распространения радиоволн различных диапазонов. Антенные устройства.» Лекции, часть 2, ВМФ, 1989 г. – 74 с.
3. Теория электромагнитного поля и техника сверхвысоких частот: учебник для ввузов/ Под редакцией Б.И. Штительмана. – Харьков, изд-во академии, 1974. – 494 с.
4. Нефедов Е. И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений.–М.: Академия,2009.–377 с.
5. Нефедов Е. И. Техническая электродинамика: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений.– М.: Академия, 2009.–410 с.
6. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн / Ф.Б. Черный – М.: Сов. радио, 1972. – 464 с.
7. Бычков А.А. Особенности структуры электромагнитного поля и параметров волнового процесса в морском тропосферном волноводе / И.Л. Афонин, А.А. Бычков // Изв. высш. учеб. заведений. Радиоэлектроника. – 2004. – Т. 47. - № 2. – С. 58–65.
8. Леонидов В.И. Некоторые особенности формирования волноводных структур над морской поверхностью / В.И. Леонидов, Ф.В. Кивва., В.И. Алёхин // Научное приборостроение в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах радиоволн: Сб. научн. тр. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН Украины. – 1992. – С.73 – 80.
9. Саламатин В. В. Основы геометрической электродинамики волноводов прямоугольного сечения/ В. В. Саламатин, И. Л. Афонин, С. Н. Бердышев // учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений. – Севастополь, изд. СевНТУ, 2008. – 218 с.
Условные обозначения. 3
Предисловие. 4
ЧАСТЬ 1. КРАТКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
. 4
Глава 1. Основные законы электромагнитного поля . 4
1.1. Физические величины, применяемые для описания электромагнитных явлений. Параметры и классификация сред. 6
1.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме. 11
1.3. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме
(уравнения электродинамики) 13
1.4. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. 19
1.5. Энергетические соотношения в электромагнитном поле. 23
Контрольные вопросы.. 25
Глава 2. Излучение электромагнитных волн
Поле элементарного электрического вибратора…………………26
2.1. Элементарные злучатели……………………………………........26
2.2. Электромагнитное поле излучения электрического. 28
2.3. Анализ поля элементарного электрического вибратора. 33
2.3.1. Ближняя (реактивная) зона. 34
2.3.2. Дальняя (волновая) зона или зона Фраунгофера. 36
2.4. Диаграмма направленности элементарного электрического вибратора. 40
Контрольные вопросы.. 44
Глава 3. Плоские электромагнитные волныв однородных
и неоднородных средах
. 45
3.1. Распространение электромагнитных волн в идеальном
диэлектрике. 45
3.2. Параметры волнового процесса. 50
3.3. Распространение электромагнитных волнв среде с потерями. 51
3.3.1. Классификация сред по величине проводимости. 52
3.3.2. Электромагнитные волны в среде с потерями. 53
3.4. Поляризация плоских волн. 55
3.4.1. Линейная поляризация. 56
3.4.2. Круговая поляризация. 58
3.4.3. Эллиптическая поляризация. 60
3.5. Плоские электромагнитные волны в неоднородных средах. 61
3.5.1. Законы отражения и преломления (законы Снеллиуса) 61
3.5.2. Коэффициенты отражения и преломления (коэффициенты Френеля) 63
3.5.3. Наклонное падение ЭМВ на поверхностьидеального проводника 65
3.5.4. Глубина проникновения электромагнитного поля
в проводящую среду. 66
3.5.5. Логарифмические единицы ослабления........................... 67
Контрольные вопросы.. 68
Глава 4. Электромагнитные волны в волноводах . 69
4.1. Краткие сведения о направляющих системах СВЧ-энергии. 69
4.2. Классификация направляемых волн. 71
4.3. Прямоугольный волновод. 73
4.4. Диаграмма типов волн в прямоугольном волноводе. Выбор поперечных размеров 76
4.5. Структура поля основной волны Н 10 78
4.6. Структура поверхностных токов в прямоугольном волноводе, излучающие и неизлучающие щели 81
4.7. Отражательная трактовка распространения волн в волноводе. Фазовая и групповая скорости в волноводе 83
Контрольные вопросы.. 85
ЧАСТЬ 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН .. 86
Глава 5. Общие вопросы распространениярадиоволн . 86
5.1. Классификация радиоволн по диапазонам и способу
распространения. 87
5.2. Влияние подстилающей поверхности на распространение радиоволн. 95
5.2.1. Влияние электрических параметров подстилающей поверхности на распространение радиоволн 95
5.2.2. Влияние рельефа и формы подстилающей поверхности
на распространение радиоволн. 97
Контрольные вопросы.. 104
Глава 6. Влияние тропосферы на распространение
радиоволн
. 105
6.1. Влияние тропосферы на распространение радиоволн. 105
6.1.1. Рефракция радиоволн в тропосфере. 106
6.1.2. Морские тропосферные волноводы.. 112
6.1.3. Рассеяние радиоволн в тропосфере (эффект дальнего тропосферного рассеяния) 118
6.1.4. Поглощение радиоволн в тропосфере.
Рассеяние радиоволн гидрометеорами. 118
Контрольные вопросы.. 121
Глава 7. Влияние ионосферы на распространение радиоволн. Особенности распространения радиоволн различных
диапазонов
................................................................................................................................. 122
7.1. Влияние ионосферы на распространение радиоволн. 122
7.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов. 128
7.2.1. Распространение сверхдлинных, длинных и средних
волн. 128
7.2.2. Распространение декаметровых (коротких) волн. 131
7.2.3. Распространение волн диапазонов СВЧ и КВЧ.. 136
Контрольные вопросы.. 139
Литература. 140
Анатолий АлександровичБЫЧКОВ,
кандидат технических наук, доцент
Электродинамика
и распространение радиоволн
Корректор Е.Г. Коряко
Технический редактор О.А. Срощенко
Компьютерная верстка и формирование
издательского оригинал-макета Л.Ф. Соловьева
Подписано в печать19.09.2017 г.
Формат бумаги 60х84 1/16 . Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс».
Изд. № 31. Печатьризография. Объем9 печ.л. Тираж 55экз. Зак. 390 .
Бесплатно
Типография ЧВВМУимени П.С. Нахимова, 299028, г. Севастополь, ул. Дыбенко П., 1-А
Диапазон радиоизлучения противоположен гамма-излучению и тоже неограничен с одной стороны - со стороны длинных волн и низких частот.
Инженеры делят его на множество участков. Самые короткие радиоволны используют для беспроводной передачи данных (интернет, сотовая и спутниковая телефония); метровые, дециметровые и ультракороткие волны (УКВ) занимают местные теле- и радиостанции; короткие волны (КВ) служат для глобальной радиосвязи - они отражаются от ионосферы и могут огибать Землю; средние и длинные волны используют для регионального радиовещания. Сверхдлинные волны (СДВ) - от 1 км до тысяч километров - проникают сквозь соленую воду и применяются для связи с подводными лодками, а также для поиска полезных ископаемых.
Энергия радиоволн крайне низка, но они возбуждают слабые колебания электронов в металлической антенне. Эти колебания затем усиливаются и регистрируются.
Атмосфера пропускает радиоволны длиной от 1 мм до 30 м. Они позволяют наблюдать ядра галактик, нейтронные звезды, другие планетные системы, но самое впечатляющее достижение радиоастрономии - рекордно детальные изображения космических источников, разрешение которых превосходит десятитысячную долю угловой секунды.
Микроволны
Микроволны - это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне.
Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название - микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К.
Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий.
А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разогрев завтрака и разговоры по мобильному телефону.
Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками. Есть также проекты передачи энергии на расстояние с помощью СВЧ-пучков.
Источники
Обзоры неба
Небо в микроволновом диапазоне 1,9 мм (WMAP)
Космический микроволновый фон, называемый также реликтовым излучением, представляет собой остывшее свечение горячей Вселенной . Впервые оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия 1978 г.) Первые измерения показали, что излучение совершенно однородно по всему небу.
В 1992 году было объявлено об открытии анизотропии (неоднородности) реликтового излучения. Этот результат был получен советским спутником «Реликт-1» и подтвержден американским спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне). COBE также определил, что спектр реликтового излучения очень близок к чернотельному . За этот результат присуждена Нобелевская премия 2006 года.
Вариации яркости реликтового излучения по небу не превышают одной сотой доли процента, но их наличие указывает на едва заметные неоднородности в распределении вещества, которые существовали на ранней стадии эволюции Вселенной и послужили зародышами галактик и их скоплений.
Однако точности данных COBE и «Реликта» было недостаточно для проверки космологических моделей, и поэтому в 2001 году был запущен новый более точный аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который к 2003 году построил детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик.
Реликтовое излучение возникло, когда возраст Вселенной составлял около 400 тысяч лет и она вследствие расширения и остывания стала прозрачна для собственного теплового излучения. Первоначально излучение имело планковский (чернотельный) спектр с температурой около 3000 K и приходилось на ближний инфракрасный и видимый диапазоны спектра.
По мере расширения Вселенной реликтовое излучение испытывало красное смещение, что приводило к снижению его температуры. На сегодня температура реликтового излучения составляет 2,7 К и оно приходится на микроволновый и дальний инфракрасный (субмиллиметровый) диапазоны спектра. На графике показан приближенный вид планковского спектра для этой температуры. Впервые спектр реликтового излучения был измерен спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне), за что в 2006 году была присуждена Нобелевская премия.
Радионебо на волне 21 см , 1420 МГц (Dickey & Lockman)
Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см - это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.
Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте.
Радионебо на волне 73,5 см , 408 МГц (Бонн)
Это самый длинноволновый из всех обзоров неба. Он был выполнен на волне, на которой в Галактике наблюдается значительное число источников. Кроме того, выбор длины волны определялся техническими причинами. Для построения обзора использовался один из крупнейших в мире полноповоротных радиотелескопов - 100-метровый боннский радиотелескоп.
Земное применение
Главное преимущество микроволновой печи - прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности.
Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи. Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы.
А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон).
Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям.
Радиус действия базовой станции - размер соты - от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.
В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа.
Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет.
Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.
Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора - в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда - высокая яркость, низкая амплитуда - темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций).
С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется.
Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа , но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений.
Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд - 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см , и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м .