Những sóng vô tuyến khác nhau

10

Việc phát thanh đại chúng bắt đầu trên sóng dài. Ở Liên Xô, hai đài phát thanh ở Moscow bắt đầu phát sóng thường xuyên gần như đồng thời (1924). Tuy nhiên, trong số này, đài đặt ở Sokolniki có công suất thấp và dành cho những người phát thanh nghiệp dư ở Moscow và khu vực. Cái còn lại là đài phát thanh được đặt theo tên. Comintern - được đặt tại Shabolovka và có sức mạnh vượt trội đáng kể so với nhà ga Sokolnich. Bán kính hoạt động của nó bao gồm các khu vực trung tâm của phần châu Âu của đất nước.

Để phủ sóng phát sóng toàn bộ lãnh thổ rộng lớn của Nga, cần phải tạo ra một trạm siêu mạnh hoặc xây dựng một mạng lưới các trạm năng lượng thấp có thể phát sóng Moscow và thực hiện các chương trình của riêng họ. Cách thứ hai hóa ra hợp lý hơn; sử dụng nó ngay bây giờ.

Trong một mạng lưới các trạm, một số trạm nằm cách xa nhau có thể hoạt động trên cùng tần số mà không bị nhiễu lẫn nhau. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, mỗi trạm được phân bổ băng tần riêng, hay nói cách khác là kênh tần số riêng. Và sau đó rõ ràng là phạm vi bước sóng dài có số lượng kênh rất hạn chế. Toàn bộ dải tần chiếm dải tần 270 kHz. Để truyền một chương trình phát sóng, cần có kênh tần số có độ rộng 9 kHz*). Thật dễ dàng để tính toán - băng tần DV chỉ chứa $\frac{270}{9} = 30$ kênh phát sóng.

Một nhược điểm khác của bước sóng là tính định hướng yếu của ăng-ten.

Không khó để hiểu một cách định tính tính định hướng là gì. Ăng-ten thu sẽ thu các rung động ở khoảng cách từ nguồn theo một hướng nhất định. Càng nhiều phần năng lượng phát ra từ ăng-ten phát được phân phối theo một hướng nhất định thì càng tốt - điều này cho phép bạn giảm công suất phát và ở phía nhận, bạn có thể “ngăn chặn” khỏi nhiễu. Do đó, điều quan trọng là ăng-ten phát “định hướng” bức xạ và ăng-ten thu “bắt” bức xạ, về cơ bản theo một hướng nhất định.

Các đặc tính định hướng yêu cầu của anten không khó đạt được khi kích thước anten vượt quá bước sóng. Nói một cách nhẹ nhàng thì thật khó để làm được điều này ở bước sóng dài.

Việc thu tín hiệu trong phạm vi DV thường đi kèm với âm thanh tanh tách và xào xạc. Đây là những không gian khí quyển và công nghiệp. Nguồn của điều kiện khí quyển ở gần và có thêm giông bão.

Sóng trung bình

Cùng với băng tần DV, đài sử dụng sóng trung bình để phát sóng radio. Và ở đây, người ta đã sớm nhận thấy rằng điều kiện thu sóng của các đài phát thanh hoạt động trong phạm vi CB là khác nhau vào buổi trưa và ban đêm. Vào ban ngày, phạm vi hoạt động của các trạm như vậy là hàng trăm km. Butchio, đặc biệt là vào mùa đông, phạm vi tiếp nhận lớn hơn đáng kể. Đôi khi bạn có thể “bắt” được những trạm cách xa vài nghìn km. Một tính năng khác của việc thu sóng CB cũng được thay thế: những đài thu được đều đặn trong ngày nhưng thường bị mờ dần - âm lượng tăng giảm dần theo thời gian.

Khi những hiện tượng này được phát hiện, những ý tưởng ban đầu cho rằng sóng vô tuyến chỉ truyền dọc theo bề mặt trái đất đã bị lung lay rất nhiều. Rõ ràng là hai sóng có thể đến điểm nhận: một sóng “trái đất” - sóng truyền dọc theo bề mặt trái đất và sóng kia “thiên đường” - sóng phản xạ từ vòm cầu (Hình 1).

11

Hình 1.

Chúng ta hãy nhớ lại rằng tầng điện ly là một lớp khí bị ion hóa ở phần trên của khí quyển - ở độ cao từ 60 km đến 450 km. Quá trình ion hóa khí xảy ra dưới tác động của tia cực tím và dòng hạt tích điện phát ra từ Mặt trời.

Sóng trung bình được phản xạ từ một lớp nằm ở độ cao 100–120 km (lớp này được ký hiệu bằng chữ “E”). Nhưng sự phản chiếu chỉ có thể xảy ra vào ban đêm. Ban ngày, trong bầu khí quyển ở độ cao 60–80 km, dưới tác dụng của bức xạ mặt trời, xuất hiện một lớp trong đó sóng trung bình bị hấp thụ mạnh (lớp này được ký hiệu bằng chữ “D”). Vì vậy, vào ban ngày, chẳng hạn, chỉ có sóng mặt đất đến ăng-ten. Vào ban đêm, ở những khu vực thu sóng nơi xảy ra giao thoa giữa sóng đất và trời, tín hiệu sẽ mờ dần (trong Hình 1, điều này xảy ra tại điểm thu gần nguồn nhất; sóng đất không đến được điểm xa - nó bị suy giảm và chỉ nhận được sóng phản xạ tại điểm này). Nếu các pha của sóng trùng nhau thì tính định hướng thu được của trường sẽ trả về độ to của âm thanh. Nếu các sóng bù trừ cho nhau thì khả năng nghe của đài sẽ kém đi. Quỹ đạo của sóng phản xạ và mức độ phản xạ của nó luôn thay đổi, do đó bản chất của sự mờ dần là ngẫu nhiên.

Việc nghiên cứu tầng điện ly đã dẫn đến sự thay đổi quan điểm về sự lan truyền của sóng dài. Theo các khái niệm hiện đại, sóng vô tuyến dài lan truyền dưới dạng ống dẫn sóng hình cầu. Thành dưới của ống dẫn sóng là bề mặt trái đất, thành trên là tầng điện ly.

Sóng ngắn

Phạm vi sóng ngắn rộng hơn chín lần so với phạm vi sóng dài và trung bình. Để hoạt động trên các sóng này, có thể tạo ra các ăng-ten định hướng; đồng thời mức độ nhiễu ít hơn. Kích thước của máy phát và anten hoạt động trên KB tương đối nhỏ. Tuy nhiên, sóng ngắn không ngay lập tức trở thành hiện thực. Theo lý thuyết nhiễu xạ, những biến đổi lớn trong đường truyền sóng ngắn (nhà lớn, rừng rậm, đồi núi) che chắn anten phát. Do đó, người ta tin rằng việc thu sóng trên HF chỉ có thể thực hiện được trong vùng tầm nhìn và những sóng này được người vô tuyến nghiệp dư sử dụng để liên lạc và thử nghiệm gần. Trong phạm vi trình bày, những người nghiệp dư trên đài bắt đầu lập kỷ lục liên lạc chưa từng có. Vì vậy, vào tháng 1 năm 1925, đài phát thanh nghiệp dư F.A. Lobov, sử dụng máy phát 15 W, đã truyền tín hiệu từ Nizhny Novgorod đến Bardade, Paris và London. Năm 1928, tàu đường ngắn E.V. Andreev, khi đang chèo thuyền huấn luyện “Vega” vòng quanh châu Âu, đã duy trì liên lạc liên tục với

12

Hình 2.

đài phát thanh của Đại học Rostov. Trạm Andreeva có công suất chỉ vài watt. Đương nhiên, những sự thật như vậy buộc các chuyên gia phải đánh giá quá cao khả năng xảy ra sóng ngắn và tham gia vào nghiên cứu có hệ thống của họ. Ở Liên Xô, từ năm 1923, việc nghiên cứu sóng ngắn đã được thực hiện, đặc biệt là bởi Phòng thí nghiệm vô tuyến Nizhny Novgorod nổi tiếng được đặt theo tên. V. I. Lênin. Đúng như dự đoán, sự lan truyền của sóng ngắn trên khoảng cách xa là do sự phản xạ từ tầng nội quyển.

Sự phản xạ có thể xảy ra ở độ cao 100 400 km. Dễ dàng tính toán rằng phạm vi thu sóng tối đa với một phản xạ duy nhất có thể là 2000 4000 km (Hình 2). Sóng ngắn có khả năng bị phản xạ từ bề mặt Trái đất rồi lại từ tầng nội quyển nên có thể “ép” toàn bộ địa cầu và quay trở lại điểm truyền (“tiếng vang ánh sáng dốc”). Mặt khác, ở một số đoạn giữa của đường nhảy, việc thu tín hiệu trở nên khó khăn. Khu vực này được gọi là “vùng im lặng”.

Một số sóng luôn đến điểm nhận, di chuyển theo những đường khác nhau và do đó có các tính chất vật lý khác nhau. Do sự can thiệp của chúng, việc thu sóng ngắn luôn đi kèm với sự suy giảm nhanh chóng. Để chống lại sự mờ dần trong các ứng dụng vô tuyến, một hệ thống điều khiển các điều kiện tự động được cung cấp.

Nguyên lý hoạt động của nó rất đơn giản: khi tín hiệu giảm, tỷ lệ thành công của máy thu sẽ tăng và khi tín hiệu tăng thì tỷ lệ thành công sẽ giảm. Trên các đường truyền sóng ngắn, cái gọi là “thu phân tập” được sử dụng để chống phai màu.
Với kiểu thu này, tín hiệu từ một máy phát được nhận bởi hai hoặc ba ăng-ten, được lắp đặt dọc theo đường dẫn và cách nhau một khoảng cách vượt quá nhiều bước sóng. Các tín hiệu ở đầu ra của ăng-ten thu thay đổi không đồng bộ và luôn có thể chọn tín hiệu tốt nhất (tất nhiên, lựa chọn này sẽ được thực hiện tự động).

Do ăng-ten sóng ngắn có tính định hướng khá sắc nét nên một số trạm ở xa nhau, phát sóng theo các hướng khác nhau, hoạt động ở cùng tần số mà không bị nhiễu lẫn nhau. Đến nay, dải sóng ngắn đã được sử dụng hết công suất. Bạn có thể tưởng tượng hiện nay có bao nhiêu đài phát thanh, nếu vào năm 1940, số đài được đăng ký chính thức, không tính đài phát thanh nghiệp dư và quân sự, là 28.407!

Sóng siêu ngắn

Nghiên cứu có hệ thống về sóng siêu ngắn ở Liên Xô bắt đầu vào năm 1926 dưới sự lãnh đạo của B. A. Vvedensky. Tuy nhiên

13

việc sử dụng rộng rãi chúng chỉ bắt đầu sau Chiến tranh Vệ quốc vĩ đại.

Ưu điểm chính của băng tần VHF là độ rộng của nó, gần 30.000 MHz! Trong phạm vi này, bạn có thể dễ dàng truyền các tín hiệu chứa (bộ) tần số phổ rộng, chẳng hạn như tín hiệu vô tuyến của hình ảnh tivi. Việc tạo ra các ăng-ten có tính định hướng cao trong phạm vi này không gây ra bất kỳ khó khăn nào. Việc thu tín hiệu có độ ổn định cao, thực tế không phụ thuộc vào thời gian trong năm và ngày và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu khí quyển và công nghiệp. Nhưng tất cả những lợi thế này được hiện thực hóa chủ yếu nhờ khả năng hiển thị trực tiếp giữa ăng-ten của máy phát và máy thu. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi của sóng siêu ngắn, nó sẽ che chắn một phần ăng-ten phát và hướng trường của tín hiệu nhận được sẽ giảm đáng kể. Chất lượng tiếp nhận đang xấu đi.

Rõ ràng, khoảng cách tầm nhìn phụ thuộc vào độ cao của ăng-ten (Hình 3). Do hiện tượng khúc xạ (khúc xạ) trong không khí, sóng truyền theo một đường hơi cong. (Điều này cho phép bạn tăng khoảng cách tầm nhìn lên 15 20%). Để sử dụng những gì đã nói, chúng tôi sẽ đưa ra một ví dụ từ thực tế. Trong hầu hết các dịch vụ, việc điều tra tín hiệu trên khoảng cách rất xa trong dải sóng siêu ngắn được thực hiện bằng cách sử dụng đường dây chuyển tiếp vô tuyến. Đường dây chuyển tiếp vô tuyến bao gồm các đài vô tuyến tích hợp được đặt sao cho có thể nhìn thấy trực tiếp giữa ăng-ten của các đài lân cận (Hình 5). Tín hiệu được truyền từ trạm đầu cuối được nhận bởi trạm đầu tiên

Hình 4.

Ăng-ten của đài truyền hình được nâng lên 250 m, độ cao của ăng-ten thu khoảng 10 m. Việc tính toán đường ngắm khoảng cách phù hợp với kết quả thử nghiệm thực nghiệm trên địa hình bằng phẳng và đồi núi. Hóa ra là 75 80 km.

Khi truyền trên sóng siêu ngắn, hai sóng sẽ đến điểm nhận trong tầm nhìn. Sóng thứ hai xảy ra do sự phản xạ từ bề mặt trái đất (Hình 4, a). Các giai đoạn của sóng là khác nhau. Do đó, khi ăng-ten thu di chuyển theo độ cao, người ta quan sát thấy sự tăng giảm định kỳ của các trường định hướng (Hình 4, b), nói một cách hình tượng, là cấu trúc giao thoa “đóng băng” của trường điện từ. Hướng trường cực đại được ghi nhận tại các điểm thu mà các pha của sóng trùng nhau, hướng tối thiểu - khi các pha không trùng nhau. Tất nhiên, tính toán các đường liên lạc vô tuyến với việc lựa chọn tối ưu độ cao ăng-ten có tính đến đặc điểm địa hình.

Việc truyền tín hiệu qua khoảng cách rất xa trong dải sóng cực ngắn được thực hiện bằng đường dây chuyển tiếp vô tuyến. Đường dây chuyển tiếp vô tuyến bao gồm các đài vô tuyến tích hợp được đặt sao cho có thể nhìn thấy trực tiếp giữa ăng-ten của các đài lân cận (Hình 5). Tín hiệu được truyền từ trạm đầu cuối được nhận bởi trạm đầu tiên

15

ô 90  110 km. Nó đại diện cho sự tích tụ khí thành phố với mật độ electron lớn hơn mật độ electron ở cùng độ cao trong môi trường. Việc thu sóng theo lớp của các đài truyền hình nằm cách xa địa điểm thu sóng vài nghìn km được giải thích là do sự phản xạ của sóng từ lớp này. Những nỗ lực sử dụng hiện tượng này để thu sóng truyền hình thường xuyên cũng như chống lại nó như một mối phiền toái đã không thành công.

Việc nghiên cứu các tín hiệu ở khoảng cách từ 200 đến 800 km tính từ máy phát đã dẫn tới việc phát hiện ra một hiện tượng chưa từng được biết đến trước đây, hiện tượng này ngày nay được gọi là “lan truyền VHF tầng đối lưu tầm xa”. Sự lan truyền này gắn liền với sự tái phát xạ của sóng vô tuyến trong lớp vỏ không khí của Trái đất, hay nói cách khác là trong tầng đối lưu. Sự tái phát thải được giải thích là do cấu trúc không chứa hydro của không khí. Công suất điện của không khí phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ và áp suất. Luôn có những chất phi hydro trong không khí - những khu vực trong đó các thông số khí tượng này, và do đó, độ thấm điện, khác với các thông số của không khí xung quanh. Một ví dụ nổi bật về tính phi hydro có thể nhìn thấy bằng mắt thường là oblaska. Hàm lượng phi hydro trong không khí dẫn đến sự tiêu tán một phần và phản xạ năng lượng sóng. Điều này được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 6. Ở phía bên phải của hình là sự phụ thuộc ngẫu nhiên của ảnh hưởng điện vào chiều cao. Răng phụ thuộc vào sự hiện diện của chất không hydro. Hình dạng của phi hydro và vị trí tương đối của chúng có thể rất khác nhau. Hydrocarbon phức tạp đóng một vai trò quan trọng. Chiều dài của chúng dao động từ hàng trăm mét đến vài km. Sóng siêu ngắn phản xạ từ các mỏ khoáng sản có thể được thu ở khoảng cách rất xa so với máy phát. Sự thay đổi của tính không đồng nhất theo thời gian dẫn đến sự giao thoa của các sóng tới và do đó làm tín hiệu suy giảm nhanh chóng. Công suất bức xạ lại chỉ bằng $10^{-6} \div 10^{-8}$ một phần công suất tín hiệu truyền đi.

Hiện tượng được mô tả được sử dụng trong các đường dây chuyển tiếp vô tuyến ở tầng đối lưu. Những đường dây như vậy đòi hỏi phải lắp đặt các thiết bị phát mạnh mẽ và hệ thống thu đa dạng để giảm tín hiệu. Tuy nhiên, chúng tỏ ra thích hợp cho việc liên lạc bằng điện thoại vô tuyến ở những khu vực khó tiếp cận. Ưu điểm của các đường đối lưu là khoảng cách lớn giữa các trạm lân cận. Khi sử dụng sóng decimet, độ dài khoảng bằng $250 \div 300$ km, nhưng trong một số trường hợp, nó có thể lớn hơn. Ví dụ, trên liên kết vô tuyến tầng đối lưu nổi tiếng “Liên Xô - Cảm ứng”, khoảng cách giữa các điểm tương ứng là khoảng 700 km.