Ультракороткие волны (УКВ) в радио

Ультра - слово латинское, означающее: более, сверх, а в сложных словах - находящийся за пределами, крайний. Таким образом, ультракороткие волны- сверхкороткие волны. Под короткими волнами принято понимать диапазон электромагнитных волн от 50 до 10 м (от 6 до 30 Мгц).

Волны длиной 10 м являются границей, за которой начинается область УКВ.

УКВ подразделяются на:

• метровые волны от 10 до 1 м, или по частоте от 30 до 300 Мгц;
• дециметровые волны от 100 до 10 см, или по частоте от 300 до 3 000 Мгц;
• сантиметровые волны от 10 до 1 см, или по частоте от 3 000 до 30 000 Мгц;
• миллиметровые волны от 10 до 1 мм.

УКВ — своеобразные и далеко еще не полностью изученные электромагнитные волны. Однако то, что мы уже знаем о них, позволяет говорить о больших возможностях, которые открывают УКВ для дальнейшего прогресса радиосвязи и радиовещания. А современное телевидение вообще немыслимо без ультракоротких волн.

Этот диапазон манит своими просторами. Радиовещательный диапазон от 200 до 2 000 м охватывает полосу частот всего 1 350 кгц (1 500— 150=1 350 кгц), а один лишь метровый диапазон УКВ, т. е. волны от 1 до 10 м включительно, занимает полосу частот 270 000 кгц.

Ведь по мере укорочения волн частотные пределы становятся все более широкими. А чем шире частотные пределы, тем больше станций можно разместить без опасности создания взаимных помех.

Если условиться, что для каждой радиостанции нужен канал 10 кгц (а на деле он даже меньше), то в метровом диапазоне УКВ можно разместить 27 000 передатчиков, а в диапазоне от 2 000 до 200 м — всего лишь 135. «Теснота в эфире» давно уже стала помехой в развитии радиосвязи и радиовещания.

Частотный простор в области УКВ позволяет не только увеличить число радиостанции, но и совершенно по-новому вести радиовещание.

Поэтому, например, радиотелефонирование по методу частотной модуляции, требующее широкой полосы частот, и передача телевидения, требующая, как мы узнаем в дальнейшем, линии связи, пропускающей очень широкую полосу частот, возможны только на волнах короче 10 м.

В диапазоне УКВ стройно развиваются такие свойства и возможности, которые на других диапазонах осуществляются только частично. Например, здесь имеется полная возможность излучать радиоволны в нужном направлении.

Этим прежде всего можно колоссально экономить мощность и работать на таких линиях столь малыми мощностями, которые показались бы на других диапазонах смехотворными. Но главное, что эти свойства УКВ как бы специально предназначены для радионавигационных целей.

Неслучайно и то, что на первых искусственных спутниках Земли как советских, так и американских установлены передатчики, работающие на УКВ. Вызвано это тем, что волны УКВ не отражаются от ионизированных слоев атмосферы

Земли и свободно проходят в мировом пространстве. Это подтверждается приемом радиосигналов советских спутников Земли и первых космических ракет. И первая в истории человечества рекордная двусторонняя радиосвязь Космос — Земля, осуществлявшаяся Ю. А. Гагариным с корабля-спутника «Восток», велась на коротких и ультракоротких волнах.

Большое значение имеет УКВ диапазон и для радиосвязи на небольшие расстояния. В диспетчерской связи сельского хозяйства, службе скорой помощи, маневровой связи на железнодорожном транспорте, связи в пределах аэродромов и морских портов, в пожарной охране и на крупных стройках широко используются ультракороткие волны.

Но в первую очередь ультракороткие волны вносят новые, лучшие качественные показатели в радиовещание.

Техника радиовещания еще далека от совершенства: радиоприем часто сопровождается сильными шумами, треском и другими помехами. Эти помехи в значительной степени устраняются при переходе на УКВ.

Диапазон УКВ оказывается чистым от атмосферных помех. Конечно, нельзя утверждать, что на УКВ совсем нет помех. Они прежде всего появляются в самом приемнике.

Возникновение их объясняется ничтожными электрическими токами, самопроизвольно протекающими во входных цепях приемника. Кроме того, источником помех на УКВ оказались автомобильные двигатели, лишенные защитных электрических фильтров, некоторые системы электрических звонков.

Однако все-таки число помех, их уровень значительно меньше на УКВ, чем на других диапазонах, и эти помехи можно тоже ослабить. Это достигается применением частотной модуляции (ЧМ).

Частотная модуляция

«Бесшумное радио», «радио без помех»—так называли первые передачи по методу частотной модуляции, которые производились в Ленинграде в 1940 г.

В чем же заключается метод частотной модуляции, почему он гарантирует от помех? Атмосферные и промышленные помехи являются электрическими сигналами с хаотически изменяющейся амплитудой, т. е., к величайшему сожалению, амплитудно-модулированными сигналами.

Метод же частотной модуляции предусматривает строгое постоянство амплитуды.

Применяются специальные устройства, которые «следят» за тем, чтобы в процессе работы амплитуда высокочастотных колебаний как на выходе передатчика, так и на входе приемника не изменялась.

Рис. 1. Графическое пояснение частотной модуляции.

Рис. 2. Электрические приборы и установки создают определенный уровень шумов.

Если к приемнику частотно-модулированных колебаний поступают сигналы, модулированные по амплитуде, то такой приемник должен ответить на них (и действительно отвечает) полным молчанием. Поэтому то атмосферные и промышленные помехи не воспроизводятся таким приемником.

Но как же передавать сообщения, могут нас спросить. К приемнику поступают сигналы совершенно одинаковой силы, одинаковой амплитуды. Что же приведет в действие громкоговоритель?

Безусловно, если излучаемый сигнал постоянен по частоте (неизменная длина волны) и амплитуде, то никаких сообщений он с собой не принесет. А если в такт со звуковыми колебаниями (тока микрофона) менять частоту излучаемых колебаний, тогда как?

Удастся ли таким способом осуществить передачу?

Оказывается, вполне удастся. Именно это и составляет принцип частотной модуляции: колебания звуковой частоты модулируют не амплитуду, а частоту. В процессе такой передачи длина волны станции все время меняется, но мощность излучаемой волны остается неизменной.

Приемник частотно-модулированных сигналов имеет особое устройство, реагирующее лишь на изменение частоты принимаемых колебаний. Называется он частотным детектором. Это устройство превращает изменения частоты в соответствующие изменения величины электрического тока.

Ток на выходе частотного детектора тем больше, чем в больших пределах изменяется частота принимаемого сигнала, чем глубже частотная модуляция. Сколько раз з секунду изменяется частота сигнала, столько же раз за это время изменяется ток на выходе детектора.

Иначе говоря, после детектора получаются электрические колебания такой же формы, которые посылались из студии на радиопередающую станцию. К громкоговорителю (как и в обычном радиоприемнике) подводится ток звуковой частоты.

Диффузор приводится в колебательное состояние, и мы слышим звуки.

 

Рис. 3. Радиоретрансляторы.

Но в каких пределах изменять длину волны передатчика, на сколько метров (или на сколько герц, если говорить о частоте)?

Теория, в особенности практика, показывает. ч_вто для осуществления высококачественного вещания изменения несущей частоты передатчика должны быть сравнительно большими: 50—75 кгц в каждую сторону от номинала несущей частоты.

По существующим нормам при амплитудной модуляции для радиовещательных станций отводится канал шириной 9 кгц. Для осуществления передачи частотно-модулированными колебаниями ширина канала увеличивается в 16—17 раз.

Во всем радиовещательном диапазоне (от 200 до 2000 м) не хватило бы места и для десятка таких радиостанций, но в диапазоне метровых волн места для них сколько угодно. Поэтому то ЧМ и применяется в УКВ диапазоне.

Во всех радиовещательных передатчиках в диапазонах длиннее УКВ применяется амплитудная модуляция, так как она более «экономно» загружает диапазон волн, чем модуляция частотная.

Но ЧМ не только снижает уровень помех, но и увеличивает дальность высококачественной передачи.

Частотная модуляция широко применяется, кроме радиовещания, и для военной радиосвязи. Подавляя многочисленные помехи от систем зажигания автомашин, танков и самолетов, она тем самым увеличивает надежность радиоприема. Ультракоротковолновые передатчики становятся в этом случае еще более компактными, так как от них требуется незначительная мощность.

В пределах видимости

Ультракороткие волны преимущественно распространяются лишь в пределах прямой видимости наподобие лучей света и ограничены расстоянием от 70 до 120 км. Поэтому-то антенны УКВ передатчиков стараются поднять как можно выше? да и повыше стараются ставить свои антенны владельцы телевизоров, живущие за пределами городов, где расположены телецентры.

Дальность действия УКВ передатчиков мала в сравнении с обычными радиовещательными станциями. Это плохо. Но это и хорошо: на одних и тех же волнах может работать значительно большее количество радиостанций.

Одна волна может быть у Москвы и Киева, у Горького и Харькова, не говоря уже о более отдаленных друг от друга городах, и мешать друг другу они не будут. УКВ радиостанции с небольшим радиусом действия могут быть значительно менее мощными, чем радиостанции длинноволновые или средневолновые.

Дальность действия УКВ передатчика может быть расширена, если увеличить его мощность и высоту антенны. Обычно зона обслуживания такого передатчика мощностью 5—10 кВт ограничена 100 км.

 

Рис. 4. Ретрансляционные пункты в УКВ.

При благоприятном профиле местности и достаточно высокой антенне приемника дальность может быть увеличена до 200—300 км. Но при наших пространствах этого, конечно, недостаточно.

Поэтому возникла необходимость в создании ретрансляционных пунктов, расположенных на расстоянии 100—150 км друг от друга. Областные и районные центры, принимая, например, программу столичного передатчика, будут транслировать через местный передатчик принятую передачу для областного города или своего района.

Ретрансляционные пункты построены уже в ряде мест для приема телевидения. Они принимают программы ближайшей центральной станции и транслируют их в радиусе до 6— 15 км. Если, например, для приема телевидения за 200 км от Киева (в Гомеле) нужны были дополнительные усилители и сложные антенны, то с постройкой ретрансляционной станции можно принимать киевские передачи на обычные телевизоры с простыми антеннами.

Радиорелейные линии. Однако создание ретрансляционных станций не решает полностью проблемы передачи на значительные расстояния. Эта проблема решается с помощью радиорелейных линий связи. Здесь играет роль еще одна особенность ультракоротких волн — направленность излучения. На дециметровых и сантиметровых волнах получается остронаправленный прием с легкими, компактными антеннами или посредством одного вибратора с металлическим зеркалом.

Вообще по мере укорочения волн излучающие устройства все более и более напоминают оптические рефлекторы.

Преимущество направленной передачи можно иллюстрировать таким примером. На дециметровых волнах радиостанция мощностью 2 вт при несложной передающей антенне с остронаправленным излучением может создать в приемной антенне сигнал такой же силы, что и станция мощностью 2 кВт с круговым излучением.

Простое разрешение проблемы направленности на УКВ послужило одной из причин применения этих волн для радиолокации, нуждающейся в приборах резко направленного действия.

Но вернемся к радиорелейным линиям связи. Значение радиорелейной связи уже неоднократно подчеркивалось в решениях партии и правительства.

Что же представляет собой радиорелейная линия связи? Это цепочка приемно-передающих радиостанций, работающих на дециметровых волнах. В данной цепи две оконечные радиостанции непосредственно обслуживают корреспондентов, а промежуточные предназначаются для приема сигналов от предыдущей станции и автоматической передачи (ретрансляции) их на следующую станцию подобно эстафете.

Промежуточные ретрансляционные станции управляются посредством сигналов, посылаемых с одного или другого конца линии. Так как антенны соседних станций должны находиться в пределах видимости, радиостанции устанавливаются через каждые 50— 60 км и имеют мачты высотой 50—70 м.

Каждая оконечная установка имеет радиопередатчик и радиоприемник, необходимые для одновременной передачи и приема сигналов.

Передача и прием производятся на разных волнах, и передатчик поэтому не мешает работе приемника. Каждая промежуточная установка имеет два передатчика и два приемника, служащих для ретрансляции сигналов в прямом и обратном направлениях.

Большинство станций линии — автоматические. Обслуживающий персонал имеется примерно на каждой десятой станции цепочки.

По одной такой радиорелейной линии можно одновременно вести телеграфные и фото телеграфные передачи, несколько сотен телефонных переговоров, передачу радиовещательных и телевизионных программ. Радиорелейные линии позволят в дальнейшем соединить телефонные сети крупных городов в единую телефонную сеть.

Одной из первых была построена радиорелейная линия связи Москва — Рязань, обслуживающая нужды транспорта. Параболическая антенна Московской станции установлена на 25-м этаже высотного здания у Красных ворот, а на станциях Пески, Бронницы и Рязань поднялись металлические мачты высотой 50—70 м. Большое строительство радиорелейных линий развернулось теперь по всей стране.

Занимая промежуточное положение между радиосвязью и связью по проводам, радиорелейные линии связи значительно экономичнее проводной связи. Они не требуют большого количества металла, идущего на провода, и обеспечивают значительно большую скорость постройки линии при меньшей затрате сил и средств, чем у проводной кабельной линии.

Следует отметить, что все последние достижения радиоэлектроники связаны с применением ультракоротких волн: телевидение, радиолокация, радиоуправление космическими ракетами, радиоастрономия. Но в последнее время кое-что новое открылось и в самих ультракоротких волнах.

Выяснилось, что УКВ могут распространяться не только в пределах прямой видимости.

Радиолюбители, занимающиеся телевидением, зарегистрировали много случаев сверхдальнего приема телевизионных передач. Сейчас уже можно назвать ряд экспериментаторов, принимающих на территории СССР передачи иностранных телевизионных центров.

Достаточно указать на москвича С. К. Сотникова, принимающего эпизодически телевизионные передачи из Праги, Берлина, Рима, Брюсселя, Лондона, Берна и других городов Европы. Передачи Московского и Ленинградского телецентров нередко смотрят в Западной Европе. Прием этот пока нерегулярен. Это объясняется состоянием ионосферы.

Пока еще не все изучено и ясно в этом вопросе, но налицо новые явления в области распространения УКВ.

Укависты. В семье советских коротковолновиков наиболее многочисленным и молодежным в своей массе становится отряд ультракоротковолновиков или, как их сокращенно называют, «укавистов». Это объясняется тем, что работа на ультракоротких волнах вполне доступна для начинающих радиолюбителей.

Рис. 5. На любительской радиостанции супругов Карела я Майны Фехтел (Львов).

Для любительской связи на УКВ необязательно знание телеграфной азбуки (связи ведутся микрофоном). Разрешение на собственный передатчик можно получить, начиная с 16 лет, а быть оператором школьной УКВ радиостанции можно с 14 лет.

Для работы на УКВ любителям выделены три диапазона:

• 28—29,7 Мгц (десятиметровый),
• 144—146 Мгц (2,0—2,1 м)
• 420— 435 Мгц (сантиметровый).

Из этих диапазонов наиболее любопытен десятиметровый. На нем можно вести дальние и местные связи. Любительские УКВ передатчики и приемники обладают небольшим весом, малыми размерами, портативностью. На УКВ можно применять совсем миниатюрные радиостанции.

Представьте себе небольшую коробочку весом 100 г — такая радиостанция может обеспечить связь в пределах километра.

Возможности, открываемые для любительской работы на УКВ, многообразны и увлекательны. Здесь и интересная конструкторская работа и заманчивые перспективы дальних связей, а наряду с этим возможности использования своей радиостанции как своеобразного телефона для связи с соседями на одной и той же улице и с друзьями на другом конце города.

Конечно, самое интересное — это участие з соревнованиях, возможности получения спортивных разрядов вплоть до мастера спорта. Большой популярностью пользуются теперь соревнования «Полевой день».

Этот день укависты проводят в поле, на горах и в лесах, совмещая отдых на лоне природы с любимым спортом. Устанавливая свои маломощные станции в горах и в местностях, где почти нет помех, радиоспортсмены добиваются в этот день интересных результатов, особенно по дальним связям.

Рис. 6. Известный Охотник за лисами, Экс-чемпион СССР Игорь Шалимов.

В последние годы у нас в СССР и в европейских странах получили широкое распространение соревнования «Охота на лис». Это соревнование, в которых «лисами» являются передатчики (КВ и УКВ), а «охотниками»— пеленгирующие их радиоспортсмены, оснащенные приемниками со специальными антеннами направленного действия.

«Лисы» (их обычно бывает три) располагаются в лесу на расстоянии 3 — 4 км друг от друга, а в 3 км от первой лисы устанавливается линия старта. Лисы поочередно дают в течение- минуты сигналы «Я лиса первая (вторая или третья)» с интервалом тоже в 1 мин.

«Охотников» выпускают каждые 5 мин, и выигрывает тот, кто обнаружит последовательно всех лис, начиная с первой, и в наиболее короткий срок.

В этих соревнованиях большое значение имеют умелая «оснастка» охотника, компактность и удобство аппаратуры для быстрого передвижения, физическая выносливость радиоспортсмена и, конечно, хорошая аппаратура и умелое с ней обращение.

С каждым годом ширится у нас сеть радиокружков в школах и УКВ радиостанций при них.

Московские «укависты» хорошо знают позывной радиостанции УАЗКЦЦ. Это позывной любительской УКВ станции радиокружка школы № 59 имени Н. В. Гоголя — пионера УКВ спорта в школах столицы.

Замечательная работа УКВ радиокружка, руководимого С. М. Алексеевым, подробно описана в книгах С, М. Алексеева «Радио в школе» и «Школьная УКВ радиостанция».

Работа кружка УКВ в школе № 59 идет по следующим направлениям:

1. Работа операторов по установлению связей с другими станциями. Это — спортивная работа. В задачу операторов входят установление наибольшего количества двусторонних связей и на возможно больших расстояниях, ведение аппаратного журнала. Эта работа позволяет готовить радиолюбителей-разрядников, так как за достижения в области связи на УКВ присваиваются спортивные разряды.
2. Работа остальных членов УКВ кружка по изучению свойств УКВ, дальности действия радиостанции и зависимости прохождения метровых волн от состояния атмосферы, наблюдение за слышимостью школьной радиостанции в разных направлениях. Это — учебная и исследовательская работа.
3. Конструкторская работа. Изготовление походных радиостанций, помощь отдельным членам кружка в постройке собственных радиостанций, разработка и постройка новых радиостанций кружка для работы в дргих диапазонах УКВ.
4. Массовая работа. Проведение экскурсий учащихся школы на радиостанцию. Обслуживание радиосвязью- школьных экскурсий и пионерских походов. Пропаганда УКВ кружка через школьный радиоузел и в стенной газете. Организация школьного радиовечера с демонстрацией аппаратуры и радиосвязи.

Хотелось бы, чтобы такие кружки УКВ, как в школе № 59 имени Н. В. Гоголя (Москва, Старо-Конюшенный пер., 18) были организованы во многих школах. Чтобы к многотысячному коллективу радиолюбителей нашей страны прибавился новый большой отряд энтузиастов УКВ работы, в эфире зазвучали новые сотни позывных коллективных школьных УКВ радиостанций и тысячи укавистов стали двигать вперед технику ультракоротких волн.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.