Радиоэхо из ионосферы

Короткие волны продолжали привлекать внимание ученых. В то время их более всего интересовало основное свойство этих волн - способность перекрывать огромные расстояния.

Радиофизики вспомнили о высказанном за двадцать лет до этого научном предположении, которое объясняло «дальнобойность» коротких волн свойствами атмосферы.

Согласно этому предположению, получившему впоследствии подтверждение, на большой высоте над Землей находятся слои ионизированного воздуха - воздуха, часть молекул которого распалась под действием солнечного излучения на положительно заряженные частицы - ионы и отрицательные частицы - электроны.

Такие слои обладают электропроводностью и действуют на электромагнитные волны как отражатель. Они заставляют радиоволны, устремляющиеся вверх, возвратиться обратно к Земле, но уже на большом расстоянии от радиостанции.

Вследствие отражения короткие волны легко преодолевают кривизну Земли. Их можно принять очень далеко, даже если мощность станции небольшая.

Чтобы подробно выяснить, как идет распространение радиоволн, ученые стали изучать отражающий слой атмосферы, который назвали ионосферой.

В первую очередь нужно было определить, на какой высоте располагается ионосфера. Известно было, что высота эта очень велика и самолет или воздушный шар подняться туда не может.

Для измерения высоты ученые решили применить радиоэхо.

Посмотрим, как можно воспользоваться обычным звуковым эхом для определения расстояния. Если громко крикнуть вдали от какой-нибудь преграды (здания или скалы), то звуковая волна, докатившись до преграды, отразится от нее и вернется обратно - мы услышим эхо.

Если умножить скорость звука (340 метров в секунду) на промежуток времени, разделяющий крик и эхо, получим путь, который пробежала звуковая волна туда и обратно, а разделив его пополам, найдем расстояние до преграды.

Таким же способом воспользовались и ученые; только они применили не звук, а радиоволны.

Передающая станция излучает чрезвычайно короткую порцию радиоволн. Покидая антенну передатчика, они со скоростью света уносятся в пространство. На некотором расстоянии от передающей станции устанавливается радиоприемник для приема посланных сигналов.

Излучаемые радиоволны расходятся во все стороны под разными углами к горизонту и как бы образуют две группы волн, одна из которых распространяется вдоль Земли, а другая устремляется вверх.

Волны, направляющиеся вверх, попадают в ионосферу, меняют свое направление и снова возвращаются к Земле. Отраженная от ионосферы волна достигнет приемника позже волны, распространяющейся вдоль земной поверхности, так как ее путь значительно длиннее, и приемник отметит не один, а два сигнала.

Запоздавший сигнал - это и есть радиоэхо, возникшее в результате отражения радиоволн от ионосферы.

Промежуток времени, разделяющий два принятых сигнала, очень мал. Он измеряется особым устройством, которое придается радиоприемнику.

По времени запаздывания радиоэха можно подсчитать, насколько путь отраженной волны больше пути поверхностной волны, так как скорость радиоволн известна. А затем легко определить и высоту ионосферы.

Оказалось, что ионосфера имеет слоистое строение, а верхний слой ее находится на высоте около 400 километров над Землей. Впервые такие исследования были произведены в 1925 году.

Они положили начало глубокому и всестороннему изучению ионосферы при помощи радиоэха.

Вследствие отражения от ионосферы короткие волны дают возможность держать связь на больших расстояниях

Рис. 1. Вследствие отражения от ионосферы короткие волны дают возможность держать связь на больших расстояниях.

Так радио нашло новое, совершенно необычное применение. Оно стало служить для измерения расстояний.

В 1930 году во время опытов с очень короткими волнами удалось обнаружить, что они отражаются также и от самолетов. Как только самолет пролетал в зоне между радиопередатчиком и приемником, характер принимаемых радиосигналов резко изменялся.

Можно было, не слыша шума мотора и не видя самолета, знать о приближении его. Эту весть приносили незримые радиоволны. Стало ясно, что их с успехом можно применять для обнаружения самолетов, что имеет большое военное значение.

Так рождалась новая область техники, разрешающая теперь, казалось бы, фантастические задачи.

Детище великого русского ученого А. С. Попова открывало новые возможности, которые вскоре воплотились в радиолокации. Продолжая дело А. С. Попова, советские радиофизики и радиоинженеры обогатили радиолокацию крупными открытиями и изобретениями.

В 1941 году группа радиоспециалистов - Ю. Б. Кобзарев, П. А. Погорелко, Н. Я. Чернецов - за изобретение прибора для обнаружения самолетов была удостоена Сталинской премии.

В радиолокации применяются ультракороткие волны, г. е. такие волны, длина которых менее 10 метров. По своим свойствам волны этого диапазона очень сильно отличаются от более длинных волн. Они хорошо отражаются даже от небольших препятствий - самолетов и кораблей, поэтому и получили применение в радиолокации.

Решающее значение в развитии техники ультракоротких волн имели работы ученых нашей страны. На ультракоротких волнах проводил свои первые передачи изобретатель радио.

Радиоволны длиной 3 миллиметра были получены знаменитым русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым. Советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева в 1923 году получила волны длиной 0,082 миллиметра.

Радиоволны такой малой длины возбуждались искрой и были очень слабы. Их применяли только для лабораторных исследований.

Петр Николаевич Лебедев (1866-1912)

Рис. 2. Петр Николаевич Лебедев (1866-1912).

Много лет ученым пришлось поработать над тем, чтобы ультракороткие волны получили, наконец, практическое применение за пределами лабораторий. Большую роль сыграли здесь труды советского радиофизика Б. А. Введенского.

Завоевание диапазона ультракоротких волн привело к коренному изменению радиоаппаратуры. Новые волны потребовали создания новой техники.

Радиоспециалистов перестали удовлетворять обычные конденсаторы и катушки индуктивности. С укорочением волны индуктивные катушки, помимо индуктивных свойств, проявляют также свойства, какими обычно обладают конденсаторы, а свойства конденсаторов дополняются свойствами катушек индуктивности.

При работе на волнах очень малой длины короткий проводничок, предназначенный для соединения радиодеталей, перестает быть только соединительным проводничком.

Это уже и «катушка индуктивности», и «конденсатор», и вдобавок маленькая «антенна», бесполезно излучающая радиоэнергию в окружающее пространство.

Много хлопот конструкторам ультракоротковолновых радиостанций стал причинять колебательный контур. Повышение частелы электрических колебаний требует уменьшения индуктивности или емкости контура, поэтому размеры катушки индуктивности и конденсатора приходится уменьшать.

В результате число витков катушки становится все меньше и меньше, и наконец вместо катушки остается всего один виток провода.

Пластины конденсатора тоже приобретают все меньшие и меньшие размеры. Для получения волны длиной 10 сантиметров колебательный контур должен состоять из витка проволоки размером с пятачок и из конденсатора такой емкости, которая не более емкости булавочной головкиі

По мере укорочения волны контуры приходится делать все меньших и меньших размеров

Рис. 3. По мере укорочения волны контуры приходится делать все меньших и меньших размеров.

Размеры колебательного контура приходится уменьшать и по другой причине. Контур не может работать изолированно от остальных деталей радиосхемы: он подключен к электронной лампе.

Но каждый соединительный проводничок, а также электроды лампы и ее выводы обладают собственной индуктивностью и емкостью. Они составляют одно целое с колебательным контуром и увеличивают и без того излишнюю на очень коротких волнах индуктивность и емкость.

С укорочением длины волны емкость, которая должна быть включена в контур согласно расчету, становится равной этой, посторонней емкости. А так как присутствие такой емкости неизбежно, то для получения нужной волны конденсатор из контура приходится удалять.

Колебательный контур «вырождается» - он превращается в катушку, подключенную к радиолампе. На наиболее коротких волнах катушка заменяется небольшой дужкой или коротким металлическим стержнем. Это все, что остается от колебательного контура. Роль конденсатора выполняет междуэлектродная емкость лампы.

Но уменьшение индуктивности ведет к ухудшению резонансных свойств контура, а сокращение его размеров не позволяет получить в нем достаточно мощных колебаний. Вследствие этого пришлось отказаться от попыток приспособить обычный контур для получения очень высоких частот.

На ультракоротких волнах стали применять двухпроводную линию длиной четверть волны, замкнутую на конце. Она представляет собой два параллельно расположенных металлических провода или трубки, вдоль которых при настройке перемещается закорачивающая перемычка.

Но двухпроводная линия имеет большой недостаток: с повышением частоты увеличивается излучение радиоволн таким «контуром» и поэтому большая часть высокочастотной энергии растрачивается бесполезно.

На смену двухпроводной линии пришла концентрическая резонансная линия, которая имеет в длину тоже четверть волны, но устроена по-другому.

Внутри тонкостенной металлической трубки точно по ее оси проходит металлический стержень. Он является одним из проводов линии, другим проводом служит сама трубка. Настраивается такой «контур» скользящим поршнем.

 концентрическая резонансная линия

Рис. 4. Концентрическая резонансная линия.

На ультракоротких волнах стали применять колебательные контуры новых типов.

Для наиболее коротких волн (длиной в несколько сантиметров) был создан колебательный «контур» совершенно нового типа - полый резонатор. Советский' ученый М. С. Нейман первым разработал такой тип «контура».

Резонатор - небольшое полое тело с металлическими стенками, имеющее форму шара, цилиндра и т. д. Такое геометрическое тело обладает замечательным свойством: внутри него можно возбуждать электромагнитные колебания очень высокой частоты.

Так как эти колебания происходят в замкнутой полости, энергия колебаний не излучается в окружающее пространство и не расходуется бесполезно.

Потери же внутри самого «контура» ничтожно малы. Поэтому он является прекрасным резонатором: на резонансной частоте в нем можно получить мощные колебания. Частота этих колебаний зависит от размеров и формы полости.

Для настройки служит специальный винт. Поворачивая винт, можно менять размеры полости, а это влечет за собой изменение резонансной частоты настраиваемого полого резонатора.

Источник: Ф. Честнов - "В мире радио", 1954г.

0
1055
Добавить комментарий