Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

Введение | назад | содержание | вперёд |

ВВЕДЕНИЕ

В.1 Основные положения

Электромагнитными волнами называют переменные электромагнитные поля, которые способны существовать в пространстве самостоятельно вне связи с источником своего возникновения. Так, после выключения передатчика электромагнитное поле не исчезает, а продолжает существовать в виде свободно распространяющейся волны.

Свет давно погасшей звезды, который, как известно, имеет электромагнитную природу, тем не менее продолжает свое существование в межзвездном пространстве, достигая поверхности Земли через миллиарды световых лет. Наконец, до сих пор существует так называемое реликтовое излучение, т.е. электромагнитные поля, возникшие во время образования Вселенной.

Частотный спектр электромагнитных колебаний чрезвычайно широк, и его границы можно установить лишь совершенно условно. Применительно к современным системам радиосвязи радиоволнами называют электромагнитные колебания от инфразвуковых частот до частот оптического диапазона включительно.

В 1886 – 1889 гг. Генрих Герц фактически доказал существование электромагнитных волн и исследовал их свойства. Впервые практическая радиосвязь была установлена в России А.С. Поповым в 1897 г. Вскоре первая радиотелеграфная связь через океан была осуществлена итальянцем Маркони. С тех пор радиосвязь бурно развивается и, если во времена А.С. Попова дальность радиосвязи в несколько десятков километров была сенсационной, то в настоящее время мы уже привыкли к тому, что с космическими кораблями, удаленными от Земли на расстояния, исчисляемые сотнями миллионов километров, ведется устойчивая радиосвязь.

Электромагнитные поля распространяются волнообразно, подобно механическим волнам в твердых телах и газах. Разница лишь в том, что для распространения электромагнитного поля не требуется никакой среды. Если в 19 веке большинство физиков считало, что «эфир» является необходимым атрибутом распространения электромагнитных волн, то в настоящее время это может лишь вызвать такую же реакцию, как на утверждение, что Земля плоская.

Вакуум создает идеальные условия для распространения радиоволн. В этих условиях радиоволны распространяются без каких-либо искажений, т.е. не поглощаются, не преломляются, не рассеиваются и т.д. Расчет радиолиний в этом случае не представляется сложным, так как для этого достаточно знания методов классической электродинамики.

Однако в реальных условиях радиоволны распространяются в различных средах, взаимодействуя с ними. Характер взаимодействия и его результат зависят от электромагнитных свойств среды и длины волны. Электромагнитные параметры сред часто являются функцией времени и координат. Поэтому расчет радиолиний на практике сопряжен со значительными трудностями и зачастую не имеет строгого однозначного решения. В этом случае большое значение имеет эксперимент, позволяющий вести расчет эмпирическими методами.

Перед строительством любой радиолинии производится ее предварительный расчет. Главной задачей расчета является определение мощности передатчика, необходимой для обеспечения заданной напряженности поля в пункте приема. Эквивалентной ей задачей является определение напряженности поля волны в пункте приема при заданной мощности передатчика. Однако этим расчет не ограничивается, так как критерием качества радиосвязи, в конечном счете, является отношение полезной мощности сигнала на входе приемника к мощности помех. Поэтому наравне с изучением свойств радиоволн, несущих полезную информацию, необходимо знание свойств радиопомех, их природы и степени их воздействия на качество работы радиоканала.

Антеннами называются устройства, предназначенные для излучения и приема радиоволн.

Антенны являются обязательным звеном любой системы радиосвязи. Электромагнитные колебания высокой частоты вырабатываются генератором, с помощью направляющей системы (фидера) подводятся к передающей антенне и излучаются ею в окружающее пространство в виде свободно распространяющихся радиоволн. Приемная антенна извлекает из окружающего ее пространства часть энергии волны. Эта энергия по направляющей системе поступает на вход радиоприемного устройства, где после ряда преобразований происходит выделение заложенной в волне информации.

Антенны обладают свойством обратимости, т.е. одна и та же антенна в принципе может работать и как передающая, и как приемная. Однако в реальных условиях требования к передающим и приемным антеннам могут существенно отличаться. Так, передающая антенна должна обладать высокой излучающей способностью и максимально большим коэффициентом полезного действия, в то время как приемная антенна должна обеспечивать требуемую помехозащищенность (требуемое отношение сигнал/шум), что достигается за счет ее направленных свойств.

Под направленными свойствами понимается способность антенны излучать или принимать радиоволны в пределах определенного телесного угла. В процессе разработки антенны решаются две задачи – внутренняя (синтез антенны) и внешняя (анализ). Под синтезом понимается определение законов распределения токов и напряжений по антенне для получения требуемых электрических характеристик антенны. В процессе анализа решается обратная задача, т.е. по известным законам распределения токов и напряжений по антенне определяются ее электрические характеристики.

В строгом смысле обе задачи нужно решать на основе уравнений Максвелла (волновых уравнений) и соответствующих граничных условий. Однако, несмотря на кажущуюся их внешнюю простоту, получить удобные для практического применения формулы далеко не всегда удается из-за очень больших математических трудностей. Даже в самом простом случае одиночного линейного излучателя окончательные выражения получаются весьма громоздкими. Поэтому на практике обычно применяют инженерные методы расчета, позволяющие получить более простые формулы, когда точность расчета удовлетворяет требованиям задачи. С этой целью используют модели, в которых в качестве прототипов применяют известные в теории цепей устройства (отрезки линий, четырехполюсники и т.д.). Широко применяется также метод геометрической оптики.

Направляющие системы (фидеры) должны обеспечивать максимально эффективную работу антенно-фидерного тракта. Поэтому фидер работает в согласованном режиме с генератором (или приемником) и антенной, обеспечивая режим бегущей волны. Фидер должен также обладать минимальными прямыми потерями (максимальным коэффициентом полезного действия). И, наконец, фидер не должен обладать антенным эффектом, т.е. не должен излучать или принимать радиоволны.

На работу антенн определенное влияние оказывает среда, в которой (или над которой) распространяются радиоволны. Это влияние проявляется в изменении входного сопротивления и сопротивления излучения антенн, их коэффициента усиления и диаграммы направленности.

Структура и специфика распространения полезных сигналов и сигналов помех часто являются определяющими факторами при определении требований к типам и конструкции антенн в различных диапазонах волн.

В.2 Назначение и классификация антенн

Переменное электромагнитное поле возбуждается в колебательных цепях генератора высокой частоты передатчика. Как следует из уравнений Максвелла, источником этого поля является электрический ток. В колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности и конденсатора, электрический ток образует замкнутую цепь, состоящую из тока проводимости, протекающего в соединительных проводах и катушке индуктивности, и тока смещения, возникающего между обкладками конденсатора. В такой схеме магнитное поле сосредоточено в индуктивности, а электрическое поле – в конденсаторе. Таким образом, магнитное и электрическое поле оказываются раздельно связанными с элементами схемы в ограниченном объеме пространства. Поэтому излучение электромагнитных волн такой системой невозможно.

Необходимые условия для излучения поля выполняются в открытом колебательном контуре, к которому можно перейти от замкнутого контура посредством раздвижения пластин конденсатора. Антенна, полученная в результате такого изменения конфигурации колебательного контура, называется симметричным вибратором.

В процессе излучения электромагнитное поле теряет связь с источником и распространяется в свободном пространстве со скоростью света в виде радиоволн. При этом единственным источником их существования является ток смещения. Это становится возможным лишь тогда, когда линии тока имеют большую протяженность и удаляются на большое расстояние от источника. Вследствие конечной скорости распространения радиоволн, линии тока смещения на большом удалении от источника замыкаются на себя в момент, когда ток проводимости в колебательном контуре становится равным нулю. Происходит “отпочковывание” электромагнитного поля от первоначального источника и его дальнейшее независимое существование в виде свободно распространяющихся радиоволн.

Изучение антенн удобно осуществлять, систематизировав их по определенным группам. В качестве критерия используют принцип действия антенн, распределение по диапазонам волн, область применения. На рис. В1 приведена схема классификации антенн по принципу действия.

Как будет обосновано в последующих разделах, вибраторные антенны применяются преимущественно в диапазоне очень низких (ОНЧ), низких (НЧ), средних (СЧ), высоких (ВЧ) и ультравысоких (УВЧ) частот. Апертурные антенны применяются, как правило, в диапазоне сверхвысоких (СВЧ) частот.

В.3 Основные электрические характеристики антенн

1. Мощность, подводимая к антенне , имеет две составляющие: излучаемую мощность и мощность потерь :
   . (В.1)

   Излучаемая мощность определяется как

   , (В.2)

   где I0 – амплитуда тока в точках питания антенны, а - активная составляющая входного сопротивления антенны.

   При отсутствии потерь в антенне называется сопротивлением излучения. Аналогично, мощность потерь определяется как

   , (В.3)

   где - сопротивление тепловых потерь.

   Излучаемую мощность можно также выражать через величину тока в пучности Iп :
   , (В.4)

   где - сопротивление излучения, отнесенное к пучности тока.

2. Входное сопротивление антенны оценивается как отношение напряжения к току в точках питания антенны и является нагрузкой для генератора или фидера. В общем случае это величина комплексная:
   , (В.5)

   Реактивная составляющая входного сопротивления определяет часть подводимой мощности к антенне, которая с ней связана и не участвует в излучении. Это мощность называется реактивной.

3. Эффективная площадь приемной антенны (Sэфф) – часть фронта плоской волны, через которую проходит вся мощность, извлекаемая антенной из окружающего пространства. Эта величина в связи с обратимым характером антенн может относиться и к передающим антеннам.
4. Действующая длина симметричного вибратора () - длина эквивалентного вибратора, у которого амплитуда тока по всей его длине одинакова и равна амплитуде тока в исходном вибраторе на его зажимах, при условии, что оба вибратора в направлении максимума излучения создают одинаковую напряженность поля.
5. Коэффициент полезного действия антенны (КПД) определяется как отношение излучаемой (полезной) мощности к подводимой. Обычно КПД обозначается греческой буквой (эта):
   , (В.6)
6. Коэффициент направленного действия (КНД). По определению это отношение мощности, излучаемой изотропным (ненаправленным) излучателем к мощности излучения данной антенны , при условии, что оба излучателя в точке приема создают одинаковую напряженность поля:
   , (В.7)

   КНД характеризует направленные свойства антенны и является количественной оценкой выигрыша по излучаемой мощности при использовании направленной антенны вместо изотропной.

7. Коэффициент усиления антенны (КУ) определяется как отношение мощности, подводимой к данной антенне к мощности, подводимой к эталонной антенне, при условии, что обе они создают одинаковую напряженность поля в точке приема:

   , (В.8)
   Так как , то , (В.9)

   В случае проволочных антенн эталонной антенной принято считать полуволновый симметричный вибратор, а в диапазоне СВЧ – изотропный излучатель.

8. Диаграммой направленности антенны (ДН) называется зависимость амплитуды напряженности поля от угла обхода антенны по окружности произвольного радиуса:

   , (В.10)

   Диаграмма направленности позволяет определить угол, в секторе которого излучается основная часть энергии. Диаграмма направленности строится либо в декартовых (прямоугольных), либо в полярных координатах. Полярные координаты дают более наглядную картину направленных свойств антенны, а декартовы координаты позволяют сделать более точные количественные оценки ДН.

9. Все без исключения антенны эффективно работают в определенной полосе частот. Рабочий диапазон частот (2) для конкретной антенны может определяться по зависимости наиболее значимого для данного случая параметра от частоты: входного сопротивления, КНД, диаграммы направленности. На рис. В2 приведен пример определения полосы пропускания антенны, когда в качестве переменного параметра используется КНД (D):

назад | содержание | вперёд