ИЗЛУЧЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Г л а в а 3
ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ
СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОСВЯЗИ
Радиосвязь – вид связи, осуществляемой посредством радиоволн, т.е. это обмен сообщениями между двумя и более абонентами с помощью электрических сигналов, переносимых через пространство радиоволнами. В основе радиосвязи лежит преобразование электрической энергии высокой частоты в электромагнитные колебания радиопередатчиком, распространение их (радиоволн) в пространстве и обратное преобразование радиоприемником электромагнитных колебаний (радиоволн) в электрические колебания.
На рис. 3.1 показана структурная схема радиосвязи. Микрофон (М) преобразует звуковые колебания речи в электрические колебания тока звуковой (низкой) частоты. Одним из основных блоков радиопередатчика является задающий генератор (ЗГ) (или генератор высокой частоты), преобразующий энергию постоянного тока (специального источника питания) в энергию колебаний токов высокой частоты (ВЧ). Усиленный в усилителе низкой частоты (УНЧ) ток звуковой частоты поступает на модулятор (Мод), воздействуя на один из параметров (амплитуду, частоту или фазу) тока высокой частоты, вырабатываемого задающим генератором. В результате в антенну передатчика подаются токи высокой частоты (радиочастоты), изменяющиеся по амплитуде, частоте или фазе в соответствии с передаваемыми звуковыми колебаниями (передаваемым первоначальным сообщением). Процесс воздействия на один из параметров ВЧ-сигнала по закону изменения передаваемого первоначального сообщения называется модуляцией, соответственно амплитудной, частотной или фазовой.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
| |
| |
| |
Рис. 3.1. Структурная схема радиосвязи
Токи высокой частоты, проходя по антенне передатчика, образуют вокруг нее электромагнитное поле. Электромагнитные волны (радиоволны) отделяются от антенны и распространяются в пространстве со скоростью 300 000 км/с.
С помощью специальных форм и конструкций передающих антенн добиваются направленного излучения радиоволн, т.е. излучения в сторону приемной радиостанции. Так как радиоволны представляют собой модулированные токи высокой частоты, то и сами они как бы переносят передаваемые звуковые колебания (первоначального сообщения).
|
|
|
В приемной антенне радиоволнами (электромагнитным полем) наводится ЭДС радиочастоты, создающая модулированный ток ВЧ, который в точности повторяет все изменения тока в передающей антенне. Токи высокой частоты от приемной антенны по фидерной линии подаются на избирательный усилитель высокой частоты (УВЧ). Избирательность обеспечивается резонансным контуром, чаще всего состоящим из параллельно включенных катушки индуктивности и конденсатора, образующих параллельный колебательный контур, имеющий резонанс тока на частоте электромагнитных колебаний, передаваемых передатчиком. К передатчикам радиостанций, работающих на других частотах, данный радиоприемник практически нечувствителен.
Усиленный сигнал подается на детектор (Дет), преобразующий принятые сигналы ВЧ в токи звуковых колебаний, изменяющиеся подобно токам звуковой частоты, создаваемым микрофоном на передающем пункте. Такое преобразование называется детектированием (демодуляцией). Полученный после детектирования ток звуковой или низкой частоты (НЧ) обычно еще усиливается в УНЧ и передается на громкоговоритель (динамик или наушники), который преобразует этот ток НЧ в звуковые колебания.
|
|
|
Радиосвязь бывает одно- и двухсторонней. При односторонней радиосвязи одна из радиостанций осуществляет только передачу, а другая (или другие) – только прием. При двухсторонней радиосвязи радиостанции осуществляют одновременно передачу и прием.
Симплексная радиосвязь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой каждый абонент ведет только передачу или только прием поочередно,
выключая свой передатчик на время приема (рис. 3.2). Для симплексной связи достаточно одной радиочастоты (одночастотная симплексная радиосвязь). Каждая радиостанция имеет одну антенну, которая при приеме и передаче переключается соответственно на вход радиоприемника или на выход радиопередатчика.
Симплексная радиосвязь используется, как правило, при наличии относительно небольших информационных потоков. Для радиосетей с большой нагрузкой характерна дуплексная радиосвязь.
Рис. 3.2. Структурная схема симплексной радиосвязи
Дуплексная радиосвязь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой прием и передача ведутся одновременно. Для дуплексной радиосвязи требуются две разные несущие частоты, а передатчики и приемники должны иметь свои антенны (рис. 3.3). Кроме того, на входе каждого приемника устанавливают специальный фильтр (дуплексер), не пропускающий колебаний радиочастоты собственного передатчика. Достоинствами дуплексной радиосвязи являются ее высокая оперативность и пропускная способность радиосети.
|
|
|
Рис. 3.3. Структурная схема дуплексной радиосвязи
Радиосвязь имеет следующие преимущества перед проводной связью:
· быстрое развертывание на любой местности и в любых условиях;
· высокая оперативность и живучесть радиосвязи;
· возможность передачи различных сообщений любому количеству абонентов циркулярно, избирательно или группе абонентов;
· возможность связи с подвижными объектами.
ИЗЛУЧЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Электромагнитные волны излучаются проводником, по которому проходит ток высокой частоты. В проводнике, изогнутом в виде петли (рис. 3.4, а), токи I в двух его половинах направлены в противоположные стороны. Электромагнитные волны, создаваемые этими токами, противоположны по фазе, и если расстояние между проводами мало по сравнению с длиной волны, то эти волны будут в пространстве взаимно уничтожаться. Следовательно, провод в виде петли не излучает электромагнитные волны. То же можно сказать о колебательном контуре (рис. 3.4, б).
Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитных колебаний, так как электрическое поле сосредоточено в основном в конденсаторе и токи смещения в диэлектрике замыкаются наиболее коротким путем – между его обкладками. Магнитное поле сосредоточено в основном в катушке.
Если раздвинуть обкладки конденсатора и развернуть соединительные провода в прямую линию (рис. 3.4, в), то токи в этих проводах будут иметь одинаковое направление. Такой контур называется открытым, он может излучать электромагнитные волны.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.4. Направления токов в элементах колебательного контура:
а – петлевой элемент провода, не излучающий электромагнитные волны; б – замкнутый колебательный контур; в – разомкнутый колебательный контур; г – прямолинейный элемент провода, излучающий электромагнитные волны; д – элемент индук-
тивной связи с антенной
Увеличение излучения электромагнитных волн можно получить, если вытянуть провод катушки в прямую линию и вместо обкладок конденсатора для создания необходимой емкости применить провода достаточной длины (рис. 3.4, г). Тогда направление токов во всех элементах провода будет одно и то же, т. е. электромагнитные колебания во всех частях
провода будут совершаться в одинаковых фазах и излучение станет наибольшим. Таким образом, открытый контур в простейшем случае представляет собой прямолинейный провод. Практически же в нем оставляют небольшую катушку для индуктивной связи с генератором высокой частоты передатчика и с избирательным усилием радиоприемника, на входе которого, как правило, включается колебательный контур (рис. 3.4, д).
Всякий провод обладает собственными индуктивностью и емкостью, распределенными по его длине, а поэтому является своеобразным колебательным контуром. На схеме рис. 3.5, а в положении 1 переключателя П обе половины провода заряжаются от батареи Б. После перевода переключателя в положение 2 электроны будут двигаться вдоль провода в направлении от нижней его половины к верхней, а затем в обратном направлении, т.е. в проводе возникнут свободные затухающие колебания. Отдельные фазы колебательного процесса в проводе изображены на рис. 3.5, б. В верхней части рисунка показано распределение электрического и магнитного полей, а в нижней – график изменения тока и напряжения в антенне.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.5. Схема для возбуждения свободных колебаний в открытом контуре
и колебательный процесс в нем:
а – эквивалентная схема колебательного контура; б – схемы, поясняющие колебательный процесс в контуре; в – силовые линии магнитного и электрического полей
Напряжением в какой-либо точке антенны принято называть разность потенциалов между данной точкой и точкой, расположенной симметрично на другой половине провода. График тока показывает также изменение напряженности магнитного поля, а график напряжения – изменение напряженности электрического поля.
В начальный момент (точка 0 на рис. 3.5, б) провод обладает потенциальной энергией электрического поля зарядов, сосредоточенных в его верхней и нижней половинах. Разность потенциалов имеет максимальную величину, а тока пока нет. При движении зарядов вдоль провода ток возрастает, а напряжение уменьшается, и энергия электрического поля переходит в кинетическую энергию магнитного поля, создаваемого током. Через четверть периода электрическое поле заменяется магнитным. В этот момент (точка 1 на рис. 3.5, б) ток достигает максимума, а напряжение равно нулю. Затем ток и магнитное поле уменьшается, в результате чего возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает движение электронов, и провод перезаряжается. Энергия переходит из магнитного поля в электрическое и т.д. В промежуточные моменты одновременно существуют электрическое и магнитное поля. Электрическое и магнитное поля имеются вдоль провода, причем магнитное поле наиболее сильное в середине провода, где ток наибольшей величины, а на концах провода ток
равен нулю и магнитное поле отсутствует.
Токи смещения в открытом колебательном контуре замыкаются через окружающее пространство, удаляясь на значительное расстояние от своих источников (заряд на проводе). Поэтому переменное электрическое поле, созданное токами смещения, достигшее некоторого удаления от провода, может потерять связь с ним (оторваться). При этом линии тока смещения будут замыкаться сами на себя, т.е. образуется соленоидальное переменное электрическое поле, создающее переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает электрическое поле, и т. д. (рис. 3.5, в). Возникает волновой процесс. Электромагнитные волны, не связанные со своими источниками (свободные волны), распространяются в пространстве. Таким образом, излучение возможно благодаря конечной скорости распространения электромагнитных волн, вследствие чего фаза поля в точке, находящейся на некотором расстоянии от излучателя, отстает от фазы своего источника. Чем больше частота колебаний питающего напряжения, тем легче происходит процесс излучения.
Если в проводах открытого контура и в непосредственной близости (расстояние, меньше длины волны) магнитное поле сдвинуто на 90° по отношению к электрическому полю, то за пределами этого расстояния свободные магнитное и электрическое поля находятся в фазе, так как образование одного невозможно без другого.
Открытый контур в виде прямолинейного провода, в котором могут происходить электрические колебания, называют симметричным вибратором или просто вибратором (диполем). Чтобы электрические колебания были незатухающими, его соединяют с генератором (Ген) индуктивной связью (см. рис. 3.4, д).
В простейшем случае антенное устройство для длинных, средних, а иногда коротких волн может быть выполнено так, как показано на рис. 3.6. Над землей на некоторой высоте (чем выше, тем эффективнее излучение) подвешивается антенна – провод или система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй обкладкой является земля или второй провод – противовес, подвешенный невысоко над землей.
Вибратор является главной частью антенн, работающих на коротких и ультракоротких волнах.
Мощность излучаемых электромагнитных волн рассчитывается по формуле
Ризл = 
Rизл, (3.1)
где Iа – ток в пучности вибратора; Rизл – сопротивление излучения вибратора, величина которого составляет 73–80 Ом.
|
|
Рис. 3.6. Антенное устройство с заземлением (а) и противовесом (б)
Сопротивление излучения вибратора определяется как
, (3.2)
где l – длина провода антенны; l – длина электромагнитной волны.
Распространяющиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т.е. электрические и магнитные силовые линии у них располагаются в соответствующих плоскостях.
На рис. 3.7 приведено графическое изображение радиоволн в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Векторы электрического поля 
расположены в вертикальной плоскости, а векторы магнитного поля 
– в горизонтальной, причем эти
векторы перпендикулярны вектору 
, называемому вектором Умова – Пойнтинга. Направление вектора 
совпадает с направлением распространения электромагнитных волн, а его длина в принятом масштабе соответствует количеству электромагнитной энергии, которую переносят радиоволны:
. (3.3)
По мере удаления от излучающей антенны плотность потока энергии радиоволны уменьшается:
, (3.4)
где r – расстояние от излучения.
Частота собственных колебаний открытого контура зависит от емкости и индуктивности провода. Можно считать, что каждый метр провода имеет емкость около 5 пФ и индуктивность около 2 мкГн. Более длинному проводу соответствуют большие емкость и индуктивность, а следовательно, и меньшая частота (и большая длина электромагнитной волны) собственных колебаний антенны.
Рис. 3.7. Графическое изображение электромагнитной волны
Так как электромагнитная волна проходит вдоль провода антенны за полупериод определенное расстояние, то длина провода открытого контура совпадает с этим расстоянием и рассчитывается как
l = l /2,
где l – длина электромагнитной волны.
Это же вытекает из распределения тока и напряжения в антенне. Следовательно, длина радиоволны равна
l = 2 l.
Учитывая, что
l = 300 000 / f,
получаем
f = 150 000 / l.
Максимальная мощность, излучаемая антенной, может быть достигнута при условии равенства частоты генератора и частоты собственных колебаний открытого контура (антенны). Именно по этой причине радиостанции, работающие в диапазоне длинных волн, нуждаются в длинных антеннах.
На практике для удлинения электромагнитной волны собственных колебаний антенны в нее последовательно включают катушку, что равносильно увеличению длины провода (рис. 3.8, а). Последовательно включенный в антенну конденсатор вызовет укорочение собственной длины электромагнитной волны антенны, так как при последовательном включении емкостей общая емкость уменьшается (рис. 3.8, б).
Для заземленной антенны длина радиоволны составит
l = 4l.
C учетом влияния земли и окружающих предметов длина радиоволн составит
l = (5–6) l.
| |
|
Рис. 3.8. Схемы удлинения (а) и укорочения (б) длин радиоволн собственных
колебаний антенн (Lсв – катушка связи)
На прохождение электромагнитных волн, используемых для связи на земной поверхности, оказывают влияние рельеф поверхности земли и электрические свойства грунта, а также свойства самых нижних слоев атмосферы (тропосферы) и верхних ионизированных слоев атмосферы (ионосферы). Тропосфера – это слой атмосферы высотой до 16 км, примыкающий к поверхности земли, и с некоторым допущением принимаемый за диэлектрик без потерь. Потери могут быть за счет перемещения молекул (ингредиентов), обладающих электрическими и магнитными моментами. Потери увеличиваются на сверхвысоких частотах при дожде и
тумане.
Ионосфера располагается на высоте около 60 км от поверхности земли и простирается до высоты 600 км. Степень ионизации ионосферы сильно зависит от воздействия ультрафиолетовых лучей солнца. Между тропосферой и ионосферой находится стратосфера.
Радиоволны от передающей антенны достигают ионосферы и отражаются от нее. При встрече непрозрачных препятствий электромагнитные волны стремятся огибать их. Это явление называют дифракцией. Чем длиннее электромагнитная волна, тем сильнее сказывается дифракция. Радиоволны, распространяющиеся по поверхности земного шара, огибающие его вследствие дифракции, называют земными радиоволнами (поверхностными). Радиоволны, распространяющиеся вокруг земного шара благодаря однократному или многократному отражению от ионосферы, называют пространственными или ионосферными.
Если бы земля была идеально плоской и обладала высокой электропроводностью, а воздух был идеальным диэлектриком, радиоволны распространялись бы в этом воздушном диэлектрике, отражаясь от поверхности земли, как от экрана, не проникая в глубь ее. Но так как земля не является идеальным проводником, то силовые линии радиоволн частично проникают в нее и образуют там токи, в результате чего возникают потери энергии на нагревание почвы.
Кроме того, радиоволны поглощаются твердыми диэлектриками, полупроводниками и проводниками при встрече с ними. Поглощение радиоволн проводником объясняется тем, что электромагнитная волна приводит в движение электроны проводника и создает в нем ток высокой частоты. На образование этого тока и расходуется электромагнитная энергия радиоволны. Если электромагнитная волна движется вдоль проводника, то поглощение энергии гораздо меньше. Поэтому над проводящей поверхностью, например водой, железнодорожными рельсами, радиоволны распространяются дальше, чем над сухой землей.
При распространении радиоволны (особенно в городах) поглощаются не только землей, но и металлическими крышами, железобетонными сооружениями и другими электропроводящими сооружениями. Радиоволны при встрече с электропроводящими телами способны отражаться. Физический смысл отражения радиоволн заключается в том, что падающая радиоволна создает в поверхностном слое отражающего тела токи, которые дают излучение новых, т.е. отраженных радиоволн.
Таким образом, радиоволны, распространяющиеся от передающей антенны к приемной, ослабевают по мощности из-за поглощения землей, поглощения и отражения другими препятствиями.
Радиоволны различных радиопередатчиков могут накладываться (складываться) друг на друга в точке приема. Именно по этой причине в приемнике прослушиваются писки, свисты, гудение и т.д. Явление сложения двух или нескольких радиоволн называют интерференцией. Интерференция радиоволн от одного и того же передатчика ввиду разницы фаз приходящих радиоволн приводит к усилению или ослаблению результирующей радиоволны в точке приема, а следовательно, и к изменению выходного сигнала приемника (в частности, к изменению громкости звучания речи при телефонной радиосвязи).
В соответствии с международным регламентом радиосвязи радиоволны занимают полосу электромагнитных частот от 3×103 до 30×1012 Гц и делятся на девять диапазонов (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Диапазоны радиоволн
| Номер диапазона | Диапазон частот | Радиочастота | Длина радиоволн | Радиоволны |
| 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | 3–30 кГц 30–300 кГц 300–3000 кГц 3–30 МГц 30–300 МГц 300–3000 МГц 3–30 ГГц 30–300 ГГц 300–3000 ГГц | Очень низкие Низкие Средние Высокие Очень высокие Ультравысокие Сверхвысокие Крайне высокие Гипервысокие | 10–100 км 1–10 км 100–1 км 10–100 м 1–10 м 10–100 см 1–10 см 1–1 мм 0,1–1 мм | Мириаметровые Километровые Гектометровые Декаметровые Метровые Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые |
Радиоволны длиной от 10 до 1 км называют длинными волнами (ДВ), от 1 км до 100 м – средними (СВ), от 100 до 10 м – короткими (КВ), менее 10 м – ультракороткими (УКВ).
Длинные волны имеют поверхностное распространение. Достоинством длинных волн является то, что дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меняется мало. Связь на длинных волнах находит ограниченное применение, так как для связи на большие расстояния требуются мощные радиопередатчики. Кроме того, в диапазоне длинных волн невозможна одновременная работа большого числа радиостанций.
Средние волны используются для радиовещания, телеграфной и телефонной радиосвязи. Затухание пространственных волн в этом диапазоне сильно изменяется, и их использование нецелесообразно; на поверхностной волне связь довольно устойчива, так как затухание мало зависит от условий распространения. Короткие волны могут использоваться как для связи на небольших, так и на больших (несколько тысяч километров) расстояниях.
Ультракороткие волны широко используются в радиосвязи, телевидении, радиолокации, радионавигации, в том числе в радиосвязи пожарной охраны. Эти волны, как правило, не отражаются от ионосферы. Поэтому связь на них осуществляется только за счет поверхностной волны. Для радиосвязи в УКВ-диапазоне необходимо обеспечение прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Дальность радиосвязи на
поверхности земли составляет 40–60 км и возрастает с подъемом антенн. Влияние атмосферной рефракции (искривление пути распространения радиоволн в неоднородной среде воздуха) приводит к заметному увеличению прямой видимости и, следовательно, к увеличению дальности радиосвязи.
Сантиметровые и миллиметровые волны применяются в радиорелейной связи, радиолокации и для других специальных целей. Они распространяются практически прямолинейно и сильно поглощаются влажной средой.
АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Простейший вид антенны – это одиночный прямолинейный провод. Такую антенну принято называть, как уже отмечалось, вибратором, вдоль которого укладывается половина длины волны (l/2). Протекающий в передающей антенне переменный ток радиочастоты замыкается через емкость между антенной и землей (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Распределение токов в вибраторе
Для уменьшения сопротивления цепи тока высокой частоты на участке между землей и источником ЭДС, а также для увеличения проводимости земли в зоне протекания токов высокой частоты основание антенны заземляется. Чем меньше сопротивление заземления и больше проводимость грунта, тем лучше условия излучения и меньше потери в земле.
Заземление может быть выполнено специальным противовесом. Он состоит из сети проводов, изолированных от земли и подвешенных над землей на высоте 1–1,5 м (рис. 3.10). По проводам противовеса, расходящимся во все стороны от основания антенны, токи высокой частоты сходятся к генератору радиопередатчика, не попадая в землю. Эти провода выполняют функции экрана, на который замыкаются силовые линии электрического поля антенны. Симметричный (полуволновой) вибратор излучает радиоволны с неодинаковой интенсивностью в различных плоскостях.
|
|
|
Рис. 3.10. Устройство противовеса
О направленности действия любой антенны дает представление соответствующая диаграмма, т.е. график, показывающий зависимость напряженности поля радиоволн от направления излучения. Различают диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы могут быть получены аналитическим методом или опытным путем, например измерением напряженности электромагнитного поля вокруг излучающей антенны (все измерения проводятся на одинаковом расстоянии от антенны). Строятся диаграммы направленности как в полярных, так и в декартовых системах координат. Для большей наглядности чаще используются диаграммы, построенные в полярных координатах. В этом случае по окружности откладываются углы от 0 до 360°, а вдоль радиуса – отношение напряженности электромагнитного поля (для соответствующего направления) к его максимальной напряженности (рис. 3.11).
Диаграмма направленности полуволнового вибратора (рис. 3.11, а) в горизонтальной плоскости представляет собой окружность (рис. 3.11, б). Это значит, что в горизонтальной плоскости такая антенна является
ненаправленной. В вертикальной плоскости излучение вибратора происходит неодинаково в различных направлениях (рис. 3.11, в). Наибольшая напряженность электромагнитного поля образуется в направлениях, перпендикулярных оси вибратора, а вдоль оси излучения нет.
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.11. Диаграммы направленности полуволнового вибратора:
а – распределение тока и напряжения; б – диаграмма направленности в горизонтальной плоскости; в – диаграмма направленности в вертикальной плоскости
Наряду с симметричным вибратором в УКВ-радиосвязи находит применение несимметричный вибратор. Такой вибратор образуется, если одну часть симметричного вибратора убрать, а освободившийся зажим соединить с землей. Длина вибратора в этом случае равна четверти собственной длины радиоволны, т. е. i = l/4. Поэтому заземленный вибратор называют четвертьволновым. Диаграммы направленности четвертьволнового вибратора показаны на рис. 3.12. Вдоль земли у такого вибратора излучение одинаково во всех направлениях.
Для оценки направленных свойств антенны любого типа служит коэффициент направленного действия (КНД), который показывает, во сколько раз нужно увеличить мощности электромагнитного излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряженность электромагнитного поля в пункте приема. При этом за ненаправленную принимают воображаемую антенну, равномерно излучающую радиоволны во все стороны.
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряженность электромагнитного поля в пункте приема.
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.12. Диаграммы направленности четвертьволнового вибратора:
а – распределение тока и напряжения; б – диаграмма направленности в горизонтальной
плоскости; в – то же в вертикальной плоскости
Коэффициент усиления антенны численно равен произведению коэффициента направленного действия D на коэффициент полезного действия hа, т.е.
s = Dhа. (3.5)
Коэффициент полезного действия hа = Ризл/ Ра, где Ризл – мощность излучения антенны; Ра – мощность, подводимая к антенне.
На практике s < D, так как первый учитывает не только выигрыш за счет направленности антенны, но и проигрыш за счет бесполезных потерь в реальной антенной системе. Используя направленные свойства передающей антенны, можно уменьшить мощность передатчика, питающего эту антенну. При приеме (благодаря направленным свойствам передающей антенны) уменьшаются помехи. Указанные свойства направленных антенн можно использовать для стационарных пунктов радиосвязи.
Для полуволнового вибратора в направлениях максимального излучения D » 1,6; КПД такого вибратора близок к единице. Поэтому и коэффициент усиления в направлении максимального излучения s = 1,5–1,6. Передающая и приемная антенны взаимозаменяемы, т.е. обратимы.
Наводимая в приемной антенне ЭДС от приходящей радиоволны
Епр связана с напряженностью электромагнитного поля Е в месте приема соотношением
Епр = Еhд, (3.6)
где hд – действующая высота приемной антенны.
Передающая антенна отличается от приемной тем, что к ней подводится более высокое напряжение. Это обстоятельство накладывает ограничения на изоляционные характеристики конструктивных элементов передающих антенн.
Для организации радиосвязи в пожарной охране в основном используются УКВ-радиостанции. В качестве антенн, устанавливаемых на ЦУС, пунктах связи части (ПСЧ) и других пунктах радиосвязи, чаще всего применяются стационарные антенны типа «стакан» (рис. 3.13, а). Такая антенна представляет собой симметричный полуволновой вибратор, состоящий из двух полных медных цилиндров 1 с заваренными верхними торцами. Верхняя и нижняя половины вибратора образуют как бы опрокинутые стаканы. Отсюда и название антенн. Оба «стакана» эквивалентны четвертьволновым отрезкам коаксиальной фидерной линии, замкнутой на конце. Такая линия для токов высокой частоты представляет собой конечное активное сопротивление. Поэтому, хотя верхнее и нижнее плечи вибратора имеют электрическое соединение с заземляемой металлической опорой 5, токи высокой частоты не замыкаются на землю. Геометрическая длина антенны выбирается равной l = l/2, а входное сопротивление –
около 72 Ом.
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.13. Конструкция антенн:
а – стационарная типа «стакан»: 1 – металлические цилиндры («стаканы»); 2 – место подсоединения центральной жилы кабеля; 3 – изолятор; 4 – коаксиальный кабель;
5 – металлическая опора;
б – автомобильная штыревая: 1 – металлический штырь; 2 – пружина; 3 – проходной изолятор; 4 – согласующий четвертьволновой трансформатор;
в – носимая антенна Куликова: 1 – стальной трос; 2 – металлические цилиндры;
3 – пружина; 4 – система натяжения троса и замок; 5 – резьбовое соединение
Рассмотренная конструкция антенны обеспечивает эффективное преобразование энергии токов высокой частоты в энергию радиоволн и одновременно выполняет роль молниеотвода. Диаграммы направленности
такой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны представленным на рис. 3.11, б, в.
Для установки на подвижные объекты широкое применение находят штыревые антенны, обладающие такими ценными качествами, как простота конструкции и достаточная механическая прочность. Штыревая антенна представляет собой несимметричный четвертьволновой вибратор. Его входное сопротивление примерно в 2 раза меньше, чем у антенны типа «стакан». Конструктивно антенна выполняется в виде металлического штыря 1, пружины 2, проходного изолятора 3. Для согласования антенны с коаксиальным кабелем используется четвертьволновой трансформатор 4 (рис. 3.13, б). Экранирующая оплетка кабеля должна быть заземлена. Подвижные объекты не заземляются, поэтому используются противовесы.
В радиостанциях, устанавливаемых на автомобилях, в качестве противовеса чаще всего используется крыша или другая металлическая деталь автомобиля. В автомобиле с брезентовым тентом противовесом должно служить кольцо с приваренными к нему четвертьволновыми штырями, расположенными друг к другу под углом 120°. Кольцо со штырями размещается в горизонтальной плоскости у основания антенны, и к нему припаивается экранирующая оплетка кабеля. От качества соединения экранирующей оплетки антенного кабеля с массой автомобиля или противовесом в большей степени зависит величина мощности радиоволны, излучаемой антенной.
Диаграммы направленности штыревой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны диаграммам, изображенным на
рис. 3.12, б, в. Практика показывает, что при установке штыревых антенн на крышах пожарных автомобилей, где размещено специальное оборудование (рукавные пеналы, лестницы, громкоговорители, проблесковые маяки и т. д.), диаграммы направленности антенн в значительной степени искажаются. Вследствие появления вторичного излучения от этих предметов диаграмма направленности антенн в горизонтальной плоскости будет отличаться от круговой. Излучаемое поле радиоволн является результатом интерференции электромагнитных полей первичного и вторичного излучателей.
Мощность потерь, возникающих при установке антенны близко к металлическим предметам (при L » 0,2 l), может составлять до 60 % от общей излучаемой мощности. При увеличении расстояния L мощность потерь уменьшается, и при L ³ 0,35 l она составляет единицы процента.
Практика показывает также, что дальность радиосвязи при антенне, установленной на крыше автомобиля, может в 2–2,5 раза превышать дальность связи при установке антенны на кронштейне в некотором удалении от крыши автомобиля.
В портативных и носимых радиостанциях в основном применяются штыревые антенны системы Куликова. Они представляют собой вибраторы длиной от l/4 (и менее) до 3/4l, выполненные в виде гибкого штыря. Основные элементы конструкции штыревой антенны приведены на
рис. 3.13, в. Антенна состоит из стального троса 1 с нанизанными на него дюралюминиевыми звеньями 2, пружины 3, системы натяжения троса и замка 4, а также резьбового соединения 5 для крепления антенны к корпусу приемопередатчика. Антенна снабжена натяжным винтом с гайкой для регулировки натяжения троса в процессе эксплуатации.
Наряду со штыревыми антеннами системы Куликова в портативных и носимых радиостанциях применяются проволочные гибкие антенны, встроенные в ремень сумки, служащей для переноски радиостанции. С такой антенной радиостанция более удобна в эксплуатации, однако дальность радиосвязи уменьшается примерно в 2 раза.
В качестве противовеса антенны в портативных и носимых радиостанциях используется масса приемопередатчика. Для повышения эффективности антенны применяется противовес в виде отрезка провода длиной, примерно равной длине штыревой антенны. Диаграммы направленности антенн портативных и носимых радиостанций в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны диаграммам, показанным на рис. 3.12, б, в.
Следует учитывать, что тело оператора вносит искажения в форму диаграмм направленности антенн. При работе с радиостанцией на придельных по дальности связи расстояниях необходимо учитывать следующее:
· производить выбор места оператора с учетом особенностей распространения ультракоротких волн, которые, встречая на своем пути препятствия, отражаются и поглощаются ими;
· не располагаться с радиостанцией в непосредственной близости от крутых склонов, возвышенностей, насыпей, каменных и железобетонных зданий, металлических сооружений, поперечно идущих линий электропередач, воздушных линий проводной связи и т.д.;
· при ведении радиосвязи из зданий выбирать помещение с окнами, выходящими на корреспондента.
Фидер– электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых осуществляется передача электрических колебаний радиочастоты. По конструкции фидеры подразделяются на симметричные
открытые линии из параллельных проводов, симметричные и коаксиальные кабели, волноводы и др.
К фидерам предъявляются следующие требования: потери энергии высокочастотных сигналов в нем должны быть минимальными; они не должны иметь антенного эффекта, т.е. не должны излучать или принимать электромагнитные волны; обладать достаточной электрической прочностью, т.е. передавать требуемую мощность без опасности электрического пробоя изоляции.
В качестве фидеров при УКВ-радиосвязи используются в основном коаксиальные кабели, конструкция которых показана на рис. 3.14. С их помощью соединяются антенны с приемопередатчиками.
| |
|
Рис. 3.14. Конструкция коаксиального кабеля:
1 – проводник; 2 – изолятор; 3 – металлическая оплетка; 4 – внешняя изоляция
Главным условием правильного выбора антенно-фидерного устройства является согласование входного сопротивления антенны – Rа с волновым сопротивлением фидера Rа = rф вдоль фидерной линии (от передатчика к антенне) будут распространяться только падающие волны напряжения и тока, а отраженные электромагнитные волны будут отсутствовать. Такой режим, установившийся в антенно-фидерном устройстве, называют
режимом бегущих волн. При этом в антенну будет поступать наибольшая часть вырабатываемой передатчиком мощности. Если входное сопротивление Rа не будет равно волновому сопротивлению фидера rф, в фидере часть энергии падающих радиоволн будет отражаться от нагрузки. В этом случае в фидере произойдет взаимодействие падающей радиоволны и отраженной, в результате чего образуется стоячая радиоволна. Полный сигнал, который устанавливается в фидере, будет равен сумме отраженной и падающей радиоволн.
Важной характеристикой антенны является ее входное сопротивление
Rа = Rвх + j Xвх,
где Rвх – активная составляющая входного сопротивления; Xвх – реактивная составляющая входного сопротивления.
Активная составляющая определяет значение сопротивления излучения и показывает, что часть энергии излучения антенной не возвращается в цепь генератора передатчика. Реактивная составляющая обусловлена тем, что на небольшом расстоянии от антенны (порядка несколько длин волн) существует индукционное поле, энергия которого возвращается в цепь генератора передатчика.
Степень согласования фидера с антенной характеризуется коэффициентом бегущей волны или обратной ему величиной – коэффициентом стоячей волны. Коэффициент бегущей волны равен отношению напряжений (токов) в узле и пучности фидера, т.е. k = Umin/ Umax, и может изменяться от 0 до 1. В реальных антенно-фидерных устройствах он составляет 0,6–0,95. Появление стоячих радиоволн снижает КПД фидера, что особенно негативно сказывается на выходной мощности излучения. Нарушение согласования антенны с фидером также вызывает большие потери мощности излучения передатчика.
Различные по значению входное и волновое сопротивления фидера согласовываются с помощью четвертьволнового трансформатора, представляющего собой отрезок кабеля длиной в одну четверть длины электромагнитной волны. Сопротивление нагрузки, включенной на конце четвертьволнового трансформатора, трансформируется на его входе в величину, равную входному сопротивлению фидера:
Rвх = z2тр/Rа, (3.7)
где zтр – волновое сопротивление отрезка кабеля, используемого в качестве четвертьволнового трансформатора.
Отсюда следует, что входное сопротивление Rвх можно увеличить или уменьшить путем изменения волнового сопротивления кабеля четвертьволнового трансформатора, оставляя неизменным входное сопротивление антенны.
При использовании симметричной антенны и несимметричного коаксиального кабеля без симметрирующего устройства у фидера появляется антенный эффект. Он заключается в том, что фидер излучает и принимает электромагнитные волны вертикальной поляризации, из-за чего наблюдаются потери мощности излучения при передаче и возрастают помехи при приеме. Для устранения антенного эффекта применяются симметрирующие устройства, которые выполняются из отрезков коаксиального кабеля или металлических трубок. На рис. 3.15, а изображена симметрирующая петля из отрезка коаксиального кабеля с электрической длиной l/2. Длина симметрирующей петли определяется из выражения:
, (3.8)
где 
– коэффициент укорочения петли кабеля.
Коэффициент укорочения вводится потому, что длина электромагнитной волны в фидерной линии lф меньше длины электромагнитной волны в свободном пространстве в 
раз, где e – диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.
Для современных радиочастотных коаксиальных кабелей = 1,5.
На рис. 3.15, б показано симметрирующее устройство, которое одновременно является трансформатором сопротивлений. Отрезки аа¢ и в 
образуют четвертьволновой трансформатор, а отрезок ав – симметрирующую петлю.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 2287; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!