Фізика. Повторне видання. 9 клас. Бар’яхтар

§ 21. Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв'язку. Радіолокація

Звернувшись до шкали електромагнітних хвиль (див. рис. 20.1), побачимо, що найбільша її ділянка належить радіохвилям. Оскільки частоти цих хвиль значно відрізняються, то різняться і їхні властивості. Докладніше про радіохвилі ви дізнаєтесь у старшій школі, а зараз зупинимося лише на застосуванні ультракоротких радіохвиль (завдовжки від кількох сантиметрів до кількох метрів).

1. З'ясовуємо особливості поширення ультракоротких радіохвиль

За своїми властивостями ультракороткі радіохвилі дуже близькі до світлових променів: вони поширюються в межах прямої видимості, їх можна посилати вузькими пучками. Саме ці властивості забезпечили широке застосування ультракоротких радіохвиль у радіолокації, бездротовому зв’язку, супутниковому телебаченні. Вузький промінь менше розсіюється (що дозволяє застосовувати менш потужні передавачі), його простіше приймати.

2. Дізнаємося, чому мобільний радіозв'язок називають стільниковим

Стільниковий зв'язок — один із видів мобільного радіозв'язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Для стільникового зв’язку використовують електромагнітні хвилі частотою від 450 до 3000 МГц. Головна особливість такого зв’язку полягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на невеликі ділянки — стільники (їх так називають, оскільки вони мають форму шестикутника). Кожен стільник має площу близько 25 км² і обслуговується окремою базовою станцією. Стільники, частково перекриваючись, утворюють мережу (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Основні складові стільникової мережі: стільникові телефони, базові станції, центри комутації

Усі ви вмієте користуватися мобільним телефоном. З’ясуємо, як він здійснює зв’язок. Коли ви вмикаєте телефон, він починає «прослуховувати» ефір і вловлює сигнал базової станції того стільника, де ви на даний момент перебуваєте. Після цього телефон випромінює радіосигнал — посилає станції свій ідентифікаційний код. Відтоді телефон і станція підтримуватимуть радіоконтакт, періодично обмінюючись сигналами.

Але ж ви не завжди перебуваєте в одному місці, і якщо з часом ви опинитеся в іншому стільнику, ваш телефон налагодить зв’язок із базовою станцією цього іншого стільника. Стільники частково перекриваються, тому ви навіть не помітите, що вас почала обслуговувати інша станція. А от якщо телефон не зможе «знайти» найближчу станцію і передати їй свій код, зв’язок обірветься і на дисплеї висвітиться, що мережа відсутня.

Описаними процесами «керують» центри комутації, які пов’язані з базовими станціями дротовими каналами зв’язку. Власне центр комутації безперервно «відстежує» місце перебування вашого мобільного телефону. Він «передає» вас, як естафетну паличку, від однієї базової станції до іншої, коли ви «подорожуєте» зі стільника в стільник. Саме через центри комутації здійснюється вихід на інші мережі: ви можете зателефонувати товаришеві, телефон якого обслуговується іншим оператором, зробити дзвінок на стаціонарний телефон, скористатись інтернетом тощо.

3. Вивчаємо радіолокацію

Властивість радіохвиль відбиватися від металів установив Г. Герц. Згодом було з’ясовано, що електромагнітні хвилі відбиваються від будь-яких тіл, при цьому чим краще тіло проводить електричний струм, тим більшою буде енергія відбитої хвилі. На відбиванні радіохвиль ґрунтується радіолокація.

Радіолокація — спосіб виявлення, розпізнавання та визначення місця розташування об'єктів за допомогою радіохвиль.

Радіолокаційна установка — радіолокатор (радар) — забезпечує випромінювання радіохвиль, а також приймання радіохвиль, які відбиваються від об’єкта (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Принцип роботи радіолокатора

Якщо радіохвилі випромінювати в усіх напрямках або широким пучком, то вони відбиватимуться одночасно від багатьох тіл і розпізнати, де розташований досліджуваний об’єкт, наприклад літак, буде неможливо. Тому радіолокатор посилає хвилі напрямлено та вузьким пучком, а виявлення відбитого сигналу свідчить, що об’єкт розташований у напрямку поширення радіохвиль (рис. 21.3).

Рис. 21.3. Випромінювання вузького напрямленого пучка ультракоротких радіохвиль і приймання відбитого сигналу забезпечує параболічна антена радіолокатора

Розрізняють два основні режими роботи радіолокатора. У режимі пошуку (сканування) антена радіолокатора весь час сканує простір (наприклад, повертається по горизонталі й одночасно рухається вниз-угору). У режимі спостереження антена весь час напрямлена на обраний об’єкт.

4. Дізнаємося, як працює радіолокатор

Радіосигнал, який посилає радіолокатор, являє собою короткочасний (тривалістю мільйонні частки секунди), але дуже потужний імпульс. Щойно імпульс послано, антена радіолокатора автоматично перемикається на прийом: радіолокатор «слухає» ефір — чекає на відбитий сигнал. Приймач має високу чутливість (відбитий радіосигнал досить слабкий), тому на час випромінювання імпульсу приймач відключають, інакше апаратура зіпсується.

Через певний інтервал часу (значно більший за тривалість імпульсу) антена знову перемикається на радіопередавач і радіолокатор посилає наступний імпульс.

Відстань s до об’єкта визначають за часом t проходження радіоімпульсу до цілі й назад. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі практично дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі (с = 3 • 10⁸ м/с), тому:

5. Застосовуємо радіолокацію

Радіолокатори було створено виключно для озброєння армій — для виявлення літаків супротивника (рис. 21.4).

Рис. 21.4. Сучасний «літаючий радар» може виявити літак супротивника на відстані 540 км

Із часом радіолокація набула широкого застосування в інших галузях. Сучасні повітряні, морські й океанські судна обов’язково оснащені радіолокаторами. За допомогою радіолокатора штурман судна може знайти вільні проходи між хмарами або айсбергами, уникнути зіткнення з іншими суднами в негоду, уточнити курс, визначити місце свого розташування (рис. 21.5).

Рис. 21.5. Радар сучасного морського судна

Радіолокаційні станції в аеропортах допомагають здійснити посадку повітряних суден, а станції, встановлені вздовж узбережжя, забезпечують безпечний вхід кораблів у порт.

Радіолокацію застосовують у наукових дослідженнях, метрології, сільському та лісовому господарствах. Вона допомагає скласти карти рельєфу земної поверхні, дослідити щільність рослинного покриву, виявити лісову пожежу, визначити склад ґрунту тощо.

Важливе значення має радіолокація в космічних дослідженнях. Запуски та посадки космічних апаратів неможливі без використання радіолокаторів. За допомогою радіолокації було уточнено відстані до Місяця, Венери, Марса. Радіолокатори, встановлені на штучних супутниках Венери, допомогли проникнути крізь товщу хмар цієї планети та визначити її рельєф.

Підбиваємо підсумки

Останнім часом особливо широкого застосування набули хвилі ультракороткого діапазону: за допомогою спеціальних антен їх можна спрямувати вузьким пучком, який менше розсіюється, а це дозволяє використовувати менш потужні передавачі. Ультракороткі радіохвилі застосовують у стільниковому зв’язку, супутниковому телебаченні, радіолокації.

Стільниковий зв’язок — один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Контрольні запитання

1. У чому полягає основна перевага ультракоротких радіохвиль? 2. Що таке стільниковий зв’язок? Як він організований? 3. Що таке радіолокація? На чому вона ґрунтується? 4. Опишіть принцип роботи радіолокатора. 5. Як за допомогою радіолокації визначають місце розташування об’єкта (відстань до об’єкта, напрямок, в якому він розташований)? 6. Де застосовують радіолокацію?

Вправа № 21

1. На якій відстані виявлено об’єкт, якщо відбитий сигнал повернувся через 20 мкс після посилання?

2. Радіолокатор працює на частоті 6 • 10⁸ Гц. Радіохвилю якої довжини він випромінює?

3. Особливості ультракоротких радіохвиль (практично не відбиваються від йоносфери, їхня енергія помітно втрачається тільки поблизу поверхні Землі, їх можна спрямувати вузьким пучком) забезпечили їх широке застосування. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, як організовані супутникове телебачення та супутниковий зв’язок.

4. Застосування радіолокаційних станцій для виявлення воєнних машин (літаків, кораблів) спричинило активний пошук способів «сховати» воєнну техніку. Так з’явилася стелс-технологія. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чи вдалося хоча б частково «сховати» воєнні машини. Якщо вдалося, то як?

Енциклопедична сторінка

Дистанційне зондування Землі

Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) — це спостереження й вивчення поверхні Землі за допомогою приладів, розміщених на великій висоті (наприклад, на супутниках або літаках). Де використовують ДЗЗ?

Із технічної точки зору, найпростіша галузь застосування ДЗЗ — прогноз погоди. На цьому прикладі й розповімо, як працює система.

Зазвичай телевізійні прогнози погоди супроводжуються знімками з космосу (рис. 1). Проте яскраві картинки на телеекрані — це, звісно, не все, що потрібно для прогнозу погоди!

Рис. 1.Телевізійний прогноз погоди з використанням супутникових знімків

Супутник не може сфотографувати всю поверхню Землі відразу. Як фари автомобіля освітлюють тільки дорогу, залишаючи узбіччя в темряві, так і супутник, облітаючи навколо Землі, «бачить» тільки певну смугу. Ширина цієї смуги може коливатися від 7 до 1500 км і залежить від необхідної точності обстеження: чим більш детальна інформація одержується, тим вужча смуга.

Під час наступного оберту супутник «оглядає» суміжну смугу і так далі. Якщо об’єднати отримані дані від кількох таких смуг, можна одержати «картинку» для великої території, наприклад для всієї нашої країни (рис. 2).

Рис. 2. Карта України із супутника

Супутник передає отриману інформацію на приймальні антени; інформацію обробляють і перетворюють на звичні фотографії. Потім інформація передається метеорологам, які об’єднують дані з космосу з результатами наземних спостережень і на основі складних математичних моделей прогнозують температуру та стан атмосфери на день, тиждень, місяць...

Для аналізу стану поверхні Землі використовують цілу «армію» супутників. Більшість із них одержують дані в діапазоні видимих оком електромагнітних хвиль, але є й такі, які зондують поверхню електромагнітними пучками в діапазоні сантиметрових радіохвиль (НВЧ-випромінювання), а також радіохвиль більшої довжини (понад 1 м).

Одержанням і обробкою даних від супутників займаються різні організації; в нашій країні роботу таких організацій координує Державне космічне агентство України.

Окрім прогнозу погоди дані з космосу використовують для аналізу стану снігового покриву, прогнозу паводків, пожеж, посухи, землетрусів, оцінки майбутніх урожаїв і для багато чого іншого. Наприклад, щоб запобігти аварії через зіткнення з льодами, капітанам кораблів важливо знати льодову обстановку. Такі дані теж одержують із космосу.