§ 21. Принципи стільникового зв'язку та радіолокації

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Зверніться до шкали електромагнітних хвиль (див. рис. 20.1). Як ви вважаєте, про які електромагнітні хвилі писав англійський фізик Вільям Крукс (1832–1919): «Тут розкривається дивовижна можливість телеграфувати без проводів, телеграфних стовпів, кабелів і всіляких інших дорогих сучасних пристроїв»? Наведіть щонайменше п’ять прикладів застосування цих хвиль у різних галузях техніки.

Вільям Крукс писав про радіохвилі (електромагнітні хвилі з довжиною від $0{,}1\text{ мм}$ до $100\text{ км}$), відкриті Генріхом Герцом, які лягли в основу створення бездротового радіозв’язку.

Сьогодні радіохвилі оточують нас повсюди: це стільниковий зв’язок і швидкісний мобільний інтернет (4G та 5G), домашній Wi-Fi та Bluetooth, радіолокатори в аеропортах і на кораблях, супутникова GPS-навігація у смартфоні, телебачення, а також величезні радіотелескопи, за допомогою яких астрономи досліджують далекий Всесвіт.

Як ви вважаєте, яка властивість ультракоротких радіохвиль забезпечила їх застосування в супутниковому телебаченні та GPS-навігації?

Ультракороткі радіохвилі практично не відбиваються від йоносфери Землі, а вільно проходять крізь неї у космічний простір і назад. Крім того, завдяки малій довжині хвилі їх можна спрямовувати дуже вузькими пучками за допомогою параболічних антен безпосередньо на супутник.

А що висвітиться на екрані вашого телефона, якщо він не зможе «знайти» найближчу базову станцію та передати їй свій код?

На екрані телефона з’явиться повідомлення «Немає мережі» (або «Пошук мережі», «Тільки екстрені виклики»), а індикатор рівня сигналу покаже порожні поділки або значок хрестика.

Як ви вважаєте, чи почує радар відбитий сигнал, якщо цей сигнал повернувся раніше, ніж радар закінчив працювати в режимі випромінювання?

Ні, радар не сприйме такий сигнал. Під час випромінювання потужного радіоімпульсу чутливий приймач радіолокатора примусово блокується, щоб власна потужна хвиля не пошкодила його електронні схеми. Якщо відбитий сигнал повернеться в цей момент, приймач його не зафіксує. Тривалість випромінюваного імпульсу визначає мінімальну дальність виявлення цілі.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. У чому полягає основна перевага ультракоротких радіохвиль?

Головна перевага ультракоротких радіохвиль полягає в тому, що вони поширюються прямолінійно в межах прямої видимості подібно до світлових променів, їх можна концентрувати у вузькоспрямовані пучки за допомогою параболічних антен, а також вони без перешкод проникають крізь йоносферу Землі, забезпечуючи зв’язок із супутниками та космічними апаратами.

2. Що таке стільниковий зв’язок? Як він організований?

Стільниковий зв’язок — це вид мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Організація зв’язку полягає в тому, що вся зона покриття розбита на невеликі ділянки — стільники (площею близько $25\text{ км}^2$), кожен із яких обслуговується базовою станцією з антеною. Усі базові станції кабелями або радіорелейними лініями з’єднані з комутаторами (центрами комутації). Коли абонент пересувається, комутатор автоматично перемикає обслуговування номера від однієї базової станції до іншої без розриву зв’язку.

3. Що таке радіолокація? На чому вона ґрунтується?

Радіолокація — це спосіб виявлення, розпізнавання та визначення місцезнаходження (координат і швидкості) об’єктів за допомогою радіохвиль.

Вона ґрунтується на явищі відбивання електромагнітних хвиль від провідних поверхонь тіл (металевих літаків, кораблів, будівель, водної поверхні).

4. Опишіть принцип роботи радіолокатора.

Радіолокатор посилає у заданому напрямку короткочасний, але дуже потужний імпульс ультракоротких радіохвиль. На час випромінювання приймач радара вимикається. Після закінчення імпульсу антена перемикається на прийом відбитого сигналу («радіовідлуння»). За часом затримки між посиланням і прийомом імпульсу обчислюється відстань до об’єкта.

5. Як за допомогою радіолокації визначають місце розташування об’єкта (відстань до об’єкта, напрямок, у якому він розташований)?

Напрямок на об’єкт визначають за орієнтацією антени радара в момент прийому максимального відбитого сигналу (за азимутом і кутом місця).

Відстань $s$ до об’єкта визначають за часом затримки $t$ проходження імпульсу до цілі й назад зі швидкістю світла $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$ за формулою:
$s = \dfrac{c \cdot t}{2}$

6. Де застосовують радіолокацію?

Радіолокацію широко застосовують у військовій справі для виявлення повітряних і морських цілей та наведення систем ППО, в авіації та судноплавстві для контролю трафіку й безпечної посадки за умов нульової видимості, у метеорології для відстеження руху циклонів, грозових фронтів і хмар, а також в астрономії для вимірювання відстаней до космічних тіл і дослідження рельєфу планет.

ВПРАВА № 21

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

Остаточно одержуємо:
$s = \dfrac{c \cdot t}{2}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[s] = \dfrac{\text{м/с} \cdot \text{с}}{1} = \text{м}$

Обчислення:
$s = \dfrac{3 \cdot 10^8 \cdot 2 \cdot 10^{-5}}{2} = \dfrac{6000}{2} = 3000\text{ (м)} = 3\text{ км}$

Відповідь: $s = 3\text{ км}$.

2. Радіолокатор працює на частоті $6 \cdot 10^8\text{ Гц}$. Радіохвилю якої довжини він випромінює?

Остаточно одержуємо:
$\lambda = \dfrac{c}{\nu}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[\lambda] = \dfrac{\text{м/с}}{\text{Гц}} = \dfrac{\text{м/с}}{\text{1/с}} = \text{м}$

Обчислення:
$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8}{6 \cdot 10^8} = 0{,}5\text{ (м)}$

Відповідь: $\lambda = 0{,}5\text{ м}$.

3. Першу успішну радіолокацію Місяця було здійснено в лютому 1946 р., коли військовий радар у Нью-Джерсі (США) послав радіоімпульси, що відбилися від Місяця й були зафіксовані. Через який час повернувся відбитий сигнал?

Остаточно одержуємо:
$t = \dfrac{2s}{c}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[t] = \dfrac{\text{м}}{\text{м/с}} = \text{с}$

Обчислення:
$t = \dfrac{2 \cdot 3{,}844 \cdot 10^8}{3 \cdot 10^8} = \dfrac{7{,}688}{3} \approx 2{,}56\text{ (с)} \approx 2{,}6\text{ с}$

Проаналізуємо результат: світло долає відстань до Місяця приблизно за $1{,}3\text{ с}$, тому повернення сигналу туди й назад за $\approx 2{,}6\text{ с}$ є абсолютно закономірним.

Відповідь: $t \approx 2{,}6\text{ с}$.

4. Радіолокатор щосекунди випромінює 1200 імпульсів тривалістю $10\text{ мкс}$ кожний. Яка найменша дальність виявлення цілі цим радіолокатором?

Остаточно одержуємо:
$s_{\min} = \dfrac{c \cdot \tau}{2}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[s_{\min}] = \dfrac{\text{м/с} \cdot \text{с}}{1} = \text{м}$

Обчислення:
$s_{\min} = \dfrac{3 \cdot 10^8 \cdot 10^{-5}}{2} = \dfrac{3000}{2} = 1500\text{ (м)} = 1{,}5\text{ км}$

Проаналізуємо результат: кількість імпульсів $N = 1200$ за секунду визначає період слідування імпульсів і максимальну дальність, а мінімальна дальність залежить виключно від тривалості самого імпульсу $\tau$.

Відповідь: $s_{\min} = 1{,}5\text{ км}$.

5. 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.

Супутниковий зв’язок і телебачення працюють завдяки супутникам-ретрансляторам у космосі. Їх запускають на спеціальну геостаціонарну орбіту на висоту близько $35\,800\text{ км}$. На такій висоті супутник обертається з тією ж швидкістю, що й Земля навколо своєї осі, тому для нас він весь час нерухомо «висить» в одній точці неба.

Наземна передавальна антена посилає потужний сигнал ультракороткими радіохвилями прямо в космос на супутник. Супутник уловлює цей сигнал, підсилює його та передає назад широким променем, накриваючи цілі країни. А звичайні супутникові тарілки на дахах будинків збирають цей потік і передають у телевізор або тюнер.

6. Застосування радіолокаційних станцій для виявлення військової техніки (літаків, кораблів тощо) спричинило активний пошук способів «сховати» її. Так з’явилася стелс-технологія. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чи вдалося хоча б частково «сховати» військові машини. Якщо вдалося, то як?

Так, військову техніку вдалося зробити майже невидимою для радарів завдяки технології «стелс».

Головний секрет полягає в незвичній кутастій формі літака або корабля. Корпус роблять із похилих плоских граней без прямих кутів. Коли радіохвиля радара потрапляє на такий літак, вона відбивається вбік або вгору в небо, а не повертається назад до антени радара.

Також поверхню покривають спеціальною фарбою та матеріалами, які поглинають енергію радіохвиль замість того, щоб їх відбивати. А ракети й бомби ховають усередину корпусу, адже підвіски під крилами дуже сильно відбивають радіохвилі й видають літак на екрані радара.