Ультракороткие радиоволны (Генерал-майор инженерно-технической службы Н. Изюмов, доктор технических наук, профессор)

Еще в начале 20-х годов нашего века советская наука стала исследовать свойства ультракоротких радиоволн и искать области и способы их практического использования. Начало этим работам положил коллектив ученых, руководимый академиком Б. А. Введенским. С тех пор в течение тридцати лет теория и техника ультракоротких волн достигли значительного прогресса, и эти радиоволны находят себе все большее применение. Большие задачи по развитию техники ультракоротких волн поставлены в директивах XX съезда Коммунистической партии Советского Союза по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956-1960 гг., где указано: "Обеспечить широкое внедрение ультракоротковолнового радиовещания в Европейской части СССР".

Используя ультракороткие волны, советские ученые и конструкторы успешно решают многие задачи в таких отраслях радиотехники, как многоканальная радиорелейная связь, которая может быть применена наряду с междугородными кабельными связями, телевидение, в том числе и цветное, радиолокация в воздухе, на море, на суше и даже за пределами земной атмосферы, высококачественное радиовещание с малым уровнем помех, надежная радиосвязь самолетов между собой и с землей.

Радиотехника использует широчайший спектр колебаний - от десятков тысяч до сотен миллиардов герц. Этот спектр делится на диапазоны длинных, средних, коротких и ультракоротких волн, причем главная, подавляющая часть всего частотного спектра приходится на диапазон ультракоротких волн (УКВ).

В первые два десятилетия после изобретения радио А. С. Поповым практическое применение преимущественно находили длинные и средние волны. Их длина измеряется тысячами и сотнями метров. Эти волны используются и сейчас для мощного радиовещания и других целей. С начала 20-х годов нашего века в практику стали широко внедряться короткие волны, длина которых измеряется десятками метров. Короткие волны дают возможность осуществить дальние радиопередачи при сравнительно небольших мощностях передающих устройств. Это достигается благодаря отражению коротких волн от наэлектризованных (ионизированных) слоев атмосферы, располагающихся на высотах в десятки и сотни километров над землей (рис. 31).

Рис. 31. Схема распространения коротких и ультракоротких радиоволн

Современный прогресс радиотехники тесно связан с применением ультракоротких волн, включающих в себя метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны. Основным признаком, разграничивающим короткие и ультракороткие волны, является влияние ионизированных слоев на их распространение. Ультракороткие волны проходят через ионизированный слой не отражаясь.

Границей между короткими и ультракороткими волнами считается волна длиной 10 м. Разумеется, эта граница условна. Например, при большой степени ионизации атмосферы наблюдается отражение волн короче 10 м.

При малой же ионизации может отсутствовать отражение волн длиной 12-14 м, которые в этом случае ведут себя как ультракороткие волны.

Основываясь на прохождении ультракоротких волн через ионосферу, советские ученые теоретически рассчитали возможность посылки радиосигналов на Луну и приема их после отражения. Практическая реализация этой возможности позволила проверить расстояние от Земли до Луны измерением времени между посылкой и возвращением радиосигналов.

Другая особенность ультракоротких волн заключается в том, что они сильно затухают при распространении вдоль земной поверхности. С уменьшением длины волны это затухание увеличивается. Дециметровые и сантиметровые волны, например, практически не огибают выпуклостей земной поверхности. Следовательно, передачу на таких волнах выгоднее осуществлять в свободном пространстве. Для этого необходимо приподнимать антенны и вести передачу над поверхностью Земли.

Над ровной поверхностью (например, над морем) при подъеме антенн на высоту 16 м "взаимная видимость" обеспечивается приблизительно на 30 км; это расстояние возрастает пропорционально сумме квадратных корней из высот антенн. Горы, холмы, лесные массивы, здания и другие неровности могут существенно влиять на дальность передачи.

Наиболее благоприятны условия радиопередачи на УКВ при связи между самолетом и землей или между самолетами в воздухе. Здесь ультракороткие волны распространяются в свободном пространстве практически без влияния земной поверхности. Дальность связи в этом случае может достигать нескольких сот километров. Передача с земли на самолет и с самолета на землю тем успешнее, чем больше высота полета. Так, например, одна из УКВ радиостанций на волне 7 м обеспечивала связь самолета с землей на расстоянии 40 км при высоте полета 100 м; та же радиостанция давала связь на расстоянии 300 км при высоте полета 8000 м. Вполне понятно, что УКВ радиостанции широко применяются в авиации для связи самолетов между собой, а также для связи экипажей с землей в районе аэродрома. На этих волнах работают также радиовысотомеры, аппаратура посадки по приборам и др.

Важно, что антенны на ультракоротких волнах имеют небольшой размер. Они удобны для размещения на борту самолета или на вершине высокой антенной опоры (мачты, башни).

В разработку УКВ антенн замечательный вклад внесли наши советские ученые и конструкторы. Ими созданы самые разнообразные типы антенн - в виде миниатюрных стержней с металлическими зеркалами-отражателями, отверстий в металлических стенках и т. д.

Не менее ценно то, что ультракороткие волны можно сравнительно легко направлять узким пучком. Чем короче волна, тем Легче получить острую направленность. Пусть, например, имеется антенная система с вогнутым металлическим зеркалом, диаметр раствора которого составляет 1,5 м. Если длина излучаемой волны равна 8 см, то основная часть энергии будет излучаться в пределах угла примерно 3°. Это очень выгодно для получения большой дальности действия в нужном направлении: необходимо лишь знать точно расположение своего корреспондента.

Возможность получить такую острую направленность излучения и приема ультракоротких (в особенности дециметровых, сантиметровых и миллиметровых) волн широко используется для развития важнейших отраслей радиотехники - радиорелейной связи и радиолокации.

Выше указывалось, что даже при значительных высотах антенных опор связь на УКВ над земной поверхностью ограничивается расстояниями в десятки километров. Но практика требует связи на более значительные расстояния - на сотни и тысячи километров с сохранением того высокого качества телефонных переговоров, какое возможно на ультракоротких волнах. Такая задача решается установкой радиорелейных линий; их принцип действия был разработан советским ученым В. И. Коваленковым еще в 1921 г.

Радиорелейная линия представляет собой цепочку приемопередающих радиостанций. Две крайние станции обслуживают корреспондентов, каждая из промежуточных принимает, преобразует и усиливает сигналы от предыдущей и автоматически излучает их в направлении к последующей станции. Расстояние между станциями составляет обычно десятки километров, а радиолиния в целом может иметь протяженность в сотни и даже тысячи километров.

Подобно линиям проводной связи радиорелейные линии допускают уплотнение несколькими каналами. Это означает, что можно вести одновременно переговоры нескольких пар корреспондентов и передачу радиограмм. Подвижные радиорелейные линии применялись во время второй мировой войны и в современных условиях найдут применение для управления войсками. Радиолокация - определение местоположения предметов с помощью радиоволн - основывается на открытом в 1897 г. А. С. Поповым явлении отражения радиоволн. Практически осуществление и развитие радиолокации связано с применением ультракоротких волн, которые допускают излучение и прием с острой направленностью и способны отражаться от объектов, электрические свойства которых отличаются от электрических свойств окружающей среды.

Освоение нового диапазона открыло перед радиотехниками огромные возможности размещения связных, радиовещательных и других станций. Только на волнах от 1 см до 10 м можно разместить в сотни раз больше передатчиков, чем на всех остальных диапазонах более длинных волн, на которых наблюдается так называемая "теснота в эфире" при выделении для каждой станции более широкой полосы. Атмосферные помехи радиоприему на этом диапазоне практически не сказываются. Вот почему именно на УКВ и были осуществлены высококачественные радиовещание и телевидение, решаются проблемы передачи объемных и цветных изображений. В шестой пятилетке будут созданы специальные ультракоротковолновые каналы связи для обмена программами между телевизионными станциями. Москвы, Ленинграда, столиц союзных республик и других крупных городов страны.

При переходе на УКВ претерпевают изменения не только антенны. Требуются качественно новые колебательные системы, лампы для передающих и приемных устройств, способы соединения между собой деталей схем и, наконец, своеобразные конструкции аппаратуры в целом. Труды советских радиоспециалистов имели решающее значение для развития техники ультракоротких волн.

В последнее десятилетие большое внимание уделяется наукой исследованию условий распространения метровых и более коротких волн в тропосфере, т. е. в нижних слоях атмосферы, простирающихся до высоты 12-16 км. Это внимание вызвано случаями дальнего распространения метровых и дециметровых радиоволн, наблюдаемыми все чаще и чаще по мере увеличения числа телевизионных и радиовещательных передатчиков и приемников ультракоротких волн.

Развитие теории и расширение практических наблюдений дальнего распространения метровых и дециметровых волн могут создать основу новым направлениям использования их для связи, радиовещания, телевидения и т. д.

Весьма перспективной нужно считать еще одну область применения ультракоротких (в частности, метровых и дециметровых) волн - связь подвижных объектов. Это - важнейшая народнохозяйственная задача. Дело в том, что развитие сети местных и междугородных телефонных связей постепенно приближает нас к осуществлению возможностей телефонных переговоров между любыми пунктами нашей страны; в эту же сеть с успехом могут быть включены и радиорелейные связи. Но возникает настойчивая необходимость обеспечить выход на эту сеть и подвижным объектам - автомобилям, поездам, лесозаготовительным партиям, речным судам, полевым станам, пожарным командам и т. д.

Решение задачи выхода через радиостанции на проводные или радиорелейные линии с подвижных объектов нужно искать в применении дуплексной системы радиосвязи на ультракоротких волнах. Смысл заключается в том, что на ультракоротких волнах возможно с помощью сравнительно простой и легкой аппаратуры и небольших антенных устройств осуществить двустороннюю дуплексную связь с абонентами телефонной сети или с другими подвижными объектами. При этом даже значительная насыщенность района подобными радиостанциями не создает такого уровня помех, который препятствовал бы одновременной работе нескольких радиостанций.

Разумеется, включение подвижных объектов в общую систему связи страны требует разрешения ряда технических и организационных трудностей, но ультракороткие волны обеспечивают в этой области благоприятную перспективу.