Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2011 № 10
Очистите апельсин. Поставьте на кухонную мойку свечу и зажгите ее. Поднесите апельсиновую корку на небольшое расстояние к горящей свече. При этом действуйте осторожно, чтобы не обжечься. Сожмите корку пальцами, так чтобы на огонь брызнул сок, и вы увидите, как пламя ярко вспыхнет.
Объяснение этому «фокусу» такое. Апельсиновая корка содержит эфирные масла. Эти летучие масла с сильным запахом, содержащиеся во многих растениях, содержат горючие вещества с низкой температурой воспламенения. Когда вы сжимаете апельсиновую корку, то выдавливаете масло, которое попадает на горящий фитиль и сразу вспыхивает.
Продолжить эксперимент можно, используя кожуру других цитрусовых — лимона, мандарина или грейпфрута. Посмотрите, что получается при этом.
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Интерференция волн, или почему хрипит УКВ-приемник
Интерференция наблюдается на любых волнах: акустических, гравитационных и т. д. На фотографии (рис. 1) показан участок водной поверхности, где интерферируют две системы водяных волн, приходящих с двух разных направлений.
Рис. 1. Интерференция ветровых волн на воде.
Волны на воде распространяются медленно, и невооруженным глазом видно, где в каждый данный момент находятся максимумы и минимумы колебаний. Их положение непрерывно меняется, поскольку частоты (периоды и длины волн) разные.
У электромагнитных волн природа другая. Распространяются они со скоростью света. Поэтому максимумы и минимумы можно наблюдать (в случае света — глазами, а в случае радиоволн — с помощью радиоприемника) только в том случае, если частоты интерферирующих волн строго одинаковы. Такие волны называют когерентными.
Интерференция — это наложение двух или более когерентных волн. Результат зависит от взаимной разности фаз приходящих в данную точку наблюдения волн. Если фазы совпадают (рис. 2а), то происходит сложение амплитуд колебаний (усиление света, улучшение радиоприема). Если же фазы противоположны (рис. 2б), то происходит вычитание амплитуд, свет ослабевает, радиоприем ухудшается.
На рисунке амплитуды колебаний (сигналов, как говорят радисты) S1 и S2 одинаковы, поэтому амплитуда суммарного сигнала SS при синфазных сигналах удваивается, а при противофазных становится равной нулю, т. е. сигнал вообще пропадает!
Сдвиг фаз между синфазными сигналами равен нулю, а между противофазными — π.
Трудно представить, что два независимых радиопередатчика могут создавать когерентные волны, если только они не синхронизированы от какого-либо независимого источника, например, Государственного эталона частоты и времени. Но этого и не требуется — интерференция в подавляющем большинстве случаев возникает между двумя или более волнами от одного передатчика, но пришедшими в точку приема разными путями.
Один путь — прямой — очевиден: это прямая линия, проведенная от антенны передатчика к антенне приемника (рис. 3).
Вторая волна — отраженная — приходит к антенне приемника, отражаясь от поверхности земли. При очень пологих углах отражения, как обычно и бывает, если расстояние до радиостанции намного больше высоты антенн h1 и h2, коэффициент отражения близок к единице, точне говоря, к -1, поскольку фаза отраженной волны изменяется на обратную. Это приводит к резкому ослаблению сигнала, направленного на горизонт, так как в удаленной приемной антенне прямая и отраженная волны оказываются в противофазе.
По мере увеличения высоты антенн отраженная волна будет проходить все больший путь, и, когда разница путей прямой и отраженной волн достигнет половины длины волны, сигналы окажутся синфазными, и мы получим максимум приема. Здесь напомню, что фаза распространяющейся волны набегает на 2π при прохождении расстояния, равного длине волны, следовательно, фаза волны меняется на обратную при прохождении пути в пол волны.
Дальнейшее увеличение высоты даст новый минимум, а потом снова максимум… Это иллюстрирует диаграмма направленности (ДН) простой дипольной передающей антенны, расположенной на высоте трех длин волн над поверхностью земли (рис. 4).
Диаграмма построена с помощью программы компьютерного моделирования антенн MMANA для длины волны 20 м, высоты подвеса антенны 60 м и параметров земли (проводимости и диэлектрической проницаемости), примерно соответствующих городской застройке. Она показывает, какая относительная мощность сигнала излучается под заданным углом. Ось X направлена на горизонт, ось Z — в зенит. Если бы Земли не было (антенна в свободном пространстве), ДН представляла бы собой окружность. В радиовещательном диапазоне УКВ ДН станет еще более изрезанной.
В теории распространения радиоволн исходят из моделей идеально гладкой сферической Земли, в которой получается монотонное убывание сигнала с расстоянием в пределах прямой видимости антенн. Дальность же прямой видимости вычисляют по формуле:
D = 3,8 ((h1)1/2 + (h2)1/2).
Высоты антенн берутся в метрах, дальность получается в километрах. Формула выводится из геометрического построения на сфере, при этом точное значение коэффициента — 3,57. Его немного увеличивают до 3,8 для учета средней рефракции волн в нижней тропосфере, искривляющей луч вниз к земле. Легко сосчитать, что дальность прямой видимости с Останкинской башни, например, равна примерно 100 км. На границе прямой видимости уровень уже слабого сигнала зависит и от погоды, которая, в свою очередь, влияет на рефракцию.
Лишь в последние десятилетия, с развитием УКВ-связи, в том числе и сотовой телефонии, стали обращать внимание на чрезвычайно сложный характер распространения УКВ в городе. Рисунок 5 заимствован с сайта http://www.ssp-7.ru/georegion.html, где делаются первые, робкие попытки точного расчета напряженности поля УКВ, а следовательно, и зон покрытия сотовых станций.
Слева с краю находится станция (сотовая, УКВ-и FM-вещательная, или ТВ — все равно). Приемник в середине картинки находится в зоне прямой видимости, тем не менее, к нему приходят, по меньшей мере, три волны, или луча: 1 — прямой, 2 — отраженный от земли, 3 — отраженный от стены соседнего здания.
Для приемника справа, находящегося в тени, ситуация еще хуже: кроме отраженного луча 3 есть луч 4, дифрагировавший на крыше затеняющего здания (дифракция — это огибание волной препятствия), и луч 5, частично ослабленный стенами. Такое распространение создает пеструю интерференционную картину, и уровень сигнала может изменяться в сотни раз при перемещении антенны на расстояние, сравнимое с длиной волны, а на УКВ это всего единицы метров.
Вывод: решающее значение имеет место ее установки!
Телезрители, пытающиеся посмотреть желаемый канал на комнатную антенну на первых этажах железобетонного здания, давно это поняли — уж как только они ни переставляют свою телескопическую антенну, пытаясь добиться четкой картинки. Кстати, глядя на экран и измерив расстояние от основного до повторного контуров изображения (в долях ширины экрана), удается вычислить задержку отраженного сигнала относительно прямого.
Если в телевидении отраженные сигналы «смазывают» картинку, то в диапазонах УКВ, где применяют частотную модуляцию, ЧМ или FM (что одно и то же), из приемников раздается хрип, поскольку изменяется частота сигнала в соответствии со звуковым сигналом, а значит, и длина волны. Тогда интерференционная картина начинает «дышать» в пространстве в такт со звуком, и антенна приемника может несколько раз за период звукового сигнала попасть то в максимум, то в минимум. Отсюда и искажения. Как правило, их больше в тех местах расположения антенны, где сигнал слаб.
Представление о том, как изменяется уровень сигнала УКВ-радиостанции в помещении, дает рисунок из книги «Receptia emisiunilorde televiziune in UIF» (Editura tehnica, Bukuresti, 1972). На нем уровень сигнала изменяется в пределах дома более чем в 200 раз и радиоволны проникают в дом преимущественно через окна и двери. Подобное распределение уровней сигнала наблюдается в каждой квартире.
Чтобы найти место, где сигнал максимален, нужен индикатор поля. Им может служить любой приемник, оборудованный S-метром — указателем силы сигнала. К сожалению, таких приемников выпускают крайне мало, поэтому здесь есть где развернуться радиолюбительскому творчеству.
При приеме мощных сигналов от близко расположенных станций большую помощь могут оказать индикаторы, описанные в «Юном технике» № 4 и 6 за 2008 г.
