Номер 4, страница 72 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

4. Почему в мобильных телефонах используют частоты 900, 1800 МГц?

Использование частот 900 МГц и 1800 МГц в мобильных телефонах обусловлено комплексом исторических, технических и регуляторных причин. Эти частоты стали основой для стандарта мобильной связи второго поколения GSM (Global System for Mobile Communications), который получил широчайшее распространение в мире. Выбор именно этих диапазонов представляет собой компромисс между дальностью распространения сигнала, его проникающей способностью и пропускной способностью сети.

Физические свойства и компромиссы

Ключевое различие между диапазонами 900 МГц и 1800 МГц заключается в физических свойствах радиоволн, которые напрямую зависят от их частоты (и, соответственно, длины волны). Длина волны $ \lambda $ связана с частотой $ f $ и скоростью света $ c $ ($ \approx 3 \times 10^8 $ м/с) формулой: $ \lambda = c / f $.

Рассчитаем длины волн для этих частот.

Дано:

$ f_1 = 900 \text{ МГц} $

$ f_2 = 1800 \text{ МГц} $

$ c = 3 \times 10^8 \text{ м/с} $

Перевод в систему СИ:

$ f_1 = 900 \times 10^6 \text{ Гц} = 9 \times 10^8 \text{ Гц} $

$ f_2 = 1800 \times 10^6 \text{ Гц} = 1.8 \times 10^9 \text{ Гц} $

Найти:

$ \lambda_1, \lambda_2 $ - длины волн.

Решение:

1. Длина волны для частоты 900 МГц:
$ \lambda_1 = \frac{c}{f_1} = \frac{3 \times 10^8 \text{ м/с}}{9 \times 10^8 \text{ Гц}} \approx 0.333 \text{ м} $ или 33.3 см.

2. Длина волны для частоты 1800 МГц:
$ \lambda_2 = \frac{c}{f_2} = \frac{3 \times 10^8 \text{ м/с}}{1.8 \times 10^9 \text{ Гц}} \approx 0.167 \text{ м} $ или 16.7 см.

Из этих расчетов следуют основные различия в применении:

• Диапазон 900 МГц (GSM-900): Обладая большей длиной волны, радиосигнал на этой частоте лучше огибает препятствия (дифракция) и слабее затухает, проходя через стены зданий, лесные массивы и другие преграды. Это позволяет одной базовой станции покрывать значительно большую территорию. Поэтому данный диапазон идеально подходит для обеспечения связи в сельской местности, на загородных трассах и в малонаселенных районах, где важна максимальная зона покрытия при минимальном количестве вышек. Недостатком является относительно невысокая емкость сети.

• Диапазон 1800 МГц (GSM-1800, также известный как DCS): Меньшая длина волны приводит к худшей проникающей способности и большей скорости затухания сигнала. Радиус действия одной базовой станции на этой частоте значительно меньше. Однако этот недостаток компенсируется главным преимуществом — более высокой емкостью сети. В диапазоне 1800 МГц можно выделить больше частотных каналов, что позволяет обслуживать одновременно большое количество абонентов на небольшой территории без перегрузки сети. Этот диапазон оптимален для густонаселенных городских районов, бизнес-центров, торговых комплексов и стадионов.

Стандартизация и практическое применение

Использование двух диапазонов (900 и 1800 МГц) позволило создать гибкую и эффективную сотовую сеть. Операторы связи комбинируют базовые станции разных диапазонов:

• В городах устанавливается плотная сеть базовых станций на 1800 МГц для обеспечения высокой емкости.

• На окраинах городов и в сельской местности используется диапазон 900 МГц для создания сплошного покрытия.

Современные телефоны являются двух- или многодиапазонными (multi-band), то есть они могут автоматически переключаться между частотами 900 МГц, 1800 МГц и другими (например, 2100 МГц для 3G, 800/2600 МГц для 4G/LTE), выбирая наилучший доступный сигнал в зависимости от местоположения и загруженности сети. Такой подход обеспечивает как широкое покрытие, так и высокую пропускную способность.

Кроме того, размеры антенн в мобильных устройствах напрямую связаны с длиной волны (часто оптимальный размер составляет $ \lambda/4 $ или $ \lambda/2 $). Для частот 900-1800 МГц получаются антенны размером в несколько сантиметров, что позволило легко встраивать их в корпуса мобильных телефонов, отказавшись от внешних выдвижных антенн.

Ответ: Частоты 900 МГц и 1800 МГц используются в мобильных телефонах, так как они представляют собой оптимальный компромисс, закрепленный в международных стандартах (в частности, GSM). Диапазон 900 МГц с его большей длиной волны ($ \approx 33 $ см) обеспечивает широкую зону покрытия и хорошую проникающую способность, что идеально для сельской местности. Диапазон 1800 МГц с меньшей длиной волны ($ \approx 17 $ см) предоставляет большую емкость сети, что необходимо для обслуживания большого числа абонентов в густонаселенных городах. Совместное использование этих диапазонов позволяет операторам строить эффективные и гибкие сети, а размеры антенн для этих частот удобны для интеграции в компактные мобильные устройства.