Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

1 Общие вопросы распространения радиоволн | назад | содержание | вперёд |

Часть первая. Распространение радиоволн
1 Общие вопросы распространения радиоволн
1.1 Основные определения

Влияние среды, в которой (или над которой) распространяются радиоволны, накладывает ограничение на длины волн, применяемых в практике радиосвязи. Напомним, что внешние факторы на распространение радиоволн различной длины сказываются неодинаково. Поэтому целесообразно рассматривать свойства радиоволн по диапазонам, в пределах которых волны проявляют примерно одинаковые свойства. Принято в соответствии с Регламентом Радиосвязи разбивать весь радиодиапазон на отдельные диапазоны, руководствуясь десятичным принципом (табл.1.1).

Таблица 1.1

№ п/п | Название диапазона радиоволн | λ (м) | f (Гц) | Традиционное название
1 | Мириаметровые волны, или очень низкие частоты (ОНЧ) | 105 - 104 | 3·103 - 3·104 | Сверхдлинные (СДВ)
2 | Километровые волны, или низкие частоты (НЧ) | 104 - 103 | 3·104 - 3·105 | Длинные волны (ДВ)
3 | Гектометровые волны, или средние частоты (СЧ) | 103 - 102 | 3·105 - 3·106 | Средние волны (СВ)
4 | Декаметровые волны, или высокие частоты (ВЧ) | 102 – 10 | 3·106 - 3·107 | Короткие волны (КВ)
5 | Метровые волны, или очень высокие частоты (ОВЧ) | 10 - 1 | 3·107 - 3·108 | Ультракороткие волны (УКВ)
6 | Дециметровые волны, или ультравысокие частоты (УВЧ) | 1 - 10-1 | 3·108 - 3·109
7 | Сантиметровые волны, или сверх высокие частоты (СВЧ) | 10-1 - 10-2 | 3·109 - 3·1010
8 | Миллиметровые волны, или крайне высокие частоты (КВЧ) | 10-2 – 10-3 | 3·1010 - 3·1011
9 | Децимиллиметровые волны | 10-3 – 10-4 | 3·1011 - 3·1012

Примечание. Инфразвуковые, субсветовые и световые волны в Регламент радиосвязи не включены

Свободно распространяющиеся радиоволны находят широкое применение в науке и технике. Прежде всего, для передачи информации (телефон, телеграф, фототелеграф, телевидение), для обнаружения и определения направления и расстояния до различных объектов (радиолокации), для управления на расстоянии механизмами и устройствами (телеуправление), определения направления на передающую станцию и местоположения корабля (радионавигация) и др. Широкое применение, свободно распространяющиеся, радиоволны находят в геофизике, при изучении строения атмосферы Земли, в радиоастрономии, при изучении строения Солнца, планет, звезд и туманностей, находящихся как в нашей Галактике, так и за ее пределами.

Любая радиолиния имеет три составных части: передатчик – приемник – среда. Под средой понимают атмосферу Земли, толщу Земли, космическое пространство. В технике радиосвязи применяют радиолинии трех типов.

1. Линия, работающая поверхностными волнами или волнами, отраженными от ионизированной области атмосферы Земли. К линиям этого типа относятся также линии связи с космическими аппаратами.

2. Линия, имеющая в своем составе ретрансляторы.

3. Линия, использующая вторичное излучение.

На радиолиниях первого типа связь между объектами, находящимися на Земле, осуществляется за счет волн, огибающих поверхность Земли, либо за счет волн, отраженных от ионосферы. Радиосвязь с космическими аппаратами осуществляется волнами, распространяющимися прямолинейно в околоземном и космическом пространстве.

На радиолиниях второго типа, передаваемая по системе связи информация, попадает в конечный пункт не напрямую, а через посредство системы промежуточных (релейных) приемно-передающих станций. Такие линии применяются в тех случаях, когда передать информацию в конечный пункт непосредственно невозможно по ряду причин (например, из-за большой протяженности радиолинии).

На радиолиниях третьего типа радиосвязь между двумя пунктами на Земле осуществляется за счет радиоволн, рассеянных на естественных или искусственных образованьях в атмосфере Земли. Примером может служить линия тропосферной связи. В этом случае радиосвязь между двумя пунктами на Земле осуществляется за счет волн, испытывающих эффект рассеяния на неоднородностях тропосферы. Частным случаем таких радиолиний является радиолокация, когда рассеянные волны отражаются от обнаруженного объекта, а пункты передачи и приема находятся в одном месте.

1.2 Распространение радиоволн в свободном пространстве. Множитель ослабления

Под свободным пространством понимают среду, которая не оказывает заметного воздействия на радиоволны определенной длины, т. е. в свободном пространстве волны заметно не поглощаются, не рассеиваются и не отражаются, распространяясь прямолинейно со скоростью света.

Как было отмечено выше, среды на радиоволны различной длины оказывают различное воздействие. Поэтому понятие свободного пространства не имеет абсолютного значения. Например, для длинных и средних волн тропосфера является свободным пространством, а для волн сантиметрового диапазона эта среда является поглощающей, искривляющей траектории радиоволн. Определение напряженности поля волны, распространяющейся в свободном пространстве, производится на основе решения волновых уравнений для вакуума. Используя понятие вектора Пойнтинга, нетрудно получить выражение для напряженности поля волны в свободном пространстве, которое широко применяется в инженерных методах расчета радиотрасс.

Пусть в т. А (рис. 1.1) расположен изотропный источник (ненаправленный), мощность излучения которого Р известна. В точке В, расположенной от точки А на расстоянии r, плотность потока мощности П (вектор Пойнтинга) будет равняться:

, . (1.1)

С другой стороны, по определению , где: и – векторы напряженности электрического и магнитного полей. Как известно, величины и связаны величиной Z, называемой волновым сопротивлением среды соотношением: ,

где Z = , Ом.

Учитывая, что в рассматриваемом случае среда является свободным пространством, символ вектора над величинами П, Е, Н в дальнейшем можно опустить, так как все они взаимно ортогональны. В свободном пространстве диэлектрическая проницаемость среды имеет чисто вещественный характер, причем значения относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей ε = ε0 = 8,86·10-12, μ = μ0 = 4π·10-7 . Поэтому волновое сопротивление среды также принимает вещественное значение:

, Ом.

В конечном счете, имеем систему уравнений:

, (1.2)
, (1.3)

где Ед, Еm – действующее и амплитудное значение напряженности электрического поля соответственно. Решая систему уравнений относительно Еm, получим:

. (1.4)

Как следует из (1.4), напряженность поля волны в свободном пространстве убывает обратно пропорционально расстоянию.

В случае использования в качестве излучателя направленной антенны, поток излучаемой мощности концентрируется в пределах определенного телесного угла, величина которого определяется размерами излучателя. По отношению к изотропному излучателю это означает выигрыш по излучаемой мощности при условии получения одинаковой напряженности поля в пункте приема. Дадим определение: отношение излучаемой мощности изотропным излучателем к мощности излучения реальной антенной при условии, что они в пункте приема создают одинаковую напряженность поля, называется коэффициентом направленности антенны (или коэффициентом направленного действия) и обозначается как D или КНД. Таким образом, с учетом направленности передающей антенны выражение для напряженности поля в пункте приема примет вид:

, (1.5)

где D1 – коэффициент направленного действия антенны.

На практике удобнее пользоваться иной формой записи формулы (1.5):

, ,

или (1.6)

, ,

где Р – в кВт, r – в км.

Мощность сигнала на входе приемника зависит от величины, называемой эффективной площадью антенны, которая определяется из формулы:

, (1.7)

где D2 – коэффициент направленного действия приемной антенны.

Поэтому выражение для мощности сигнала на входе приемника без учета потерь в фидере можно представить в виде:

, (1.8)

или с учетом (1.1) и (1.7):

, Вт, (1.9)

где Р1 – мощность излучения передающей антенны.

Выражение (1.9) называется формулой идеальной радиопередачи. Само название подчеркивает тот факт, что среда не влияет на процесс распространения волны, а мощность сигнала на входе приемника определяется только используемыми техническими средствами и протяженностью радиолинии.

Электромагнитная волна, распространяющаяся в свободном пространстве, всегда имеет сферический фронт. При удалении от источника поток излучаемой мощности рассеивается по поверхности сферы, радиус которой постоянно растет. Поэтому в направлении на корреспондента плотность потока уменьшается по закону, получившему свое отражение в формуле (1.1). В этом смысле можно говорить о потерях при распространении волны в свободном пространстве. Эти потери принято называть основными. Количественно основные потери определяются как отношение излучаемой мощности к принятой. Из формулы (1.9) следует:

, (1.10)

где индекс "св" означает, что речь идет о потерях при распространении в свободном пространстве.

В случае ненаправленных антенн D1=D2=1 и тогда:

. (1.11)

Так как абсолютное значение потерь может изменяться в очень больших пределах, то удобнее их выражать в дБ. В этом случае формулы (1.10) и (1.11) примут вид:

. (1.12)

В качестве примера определим основные потери на двух линиях различной протяженности и при разных длинах волн. Результаты расчета по формуле (1.12) приведены в таблице 1.2

Таблица 1.2

r (км) | λ (м) | Lсв | Lсв (дБ)
10 | 10000 | 160 | 22
8∙107 | 0,03 | 1027 | 270

Примечание: r = 8∙107 км соответствует среднему расстоянию между Землей и Марсом

Следует отметить, что величина ослабления, полученная в результате расчета, является минимальной, так как при этом не учитываются дополнительные потери энергии волны в результате поглощения в среде распространения.

На реальных радиолиниях волны испытывают ослабление в результате поглощения в среде, а также в результате действия иных источников потерь. В целом эти потери называются дополнительными. Таким образом, общие потери можно определить как сумму основных и дополнительных потерь:

дБ. (1.13)

Ослабление поля волны при распространении в реальных условиях по сравнению с ослаблением, которое имело бы место при распространении в свободном пространстве, принято характеризовать множителем ослабления F:

, (1.14)

где Е0 – напряженность поля в точке приема при условии, что среда ведет себя как свободное пространство.

Таким образом, для реальных условий распространения формула (1.6) примет вид:

. (1.15)

Аналогично можно определить мощность на входе приемника как:

. (1.16)

В формуле (1.16) множитель F берется в квадрате, так как вектор Пойнтинга пропорционален квадрату напряженности поля.

С учетом ослабления при распространении формула для потерь (1.10) принимает вид:

. (1.17)

Потери при распространении, выраженные в дБ, определяется из формулы:

. (1.18)

Формулу (1.16) можно положить в основу расчета любого вида радиолинии. Чаще всего расчет сводится к определению мощности передатчика, необходимой для обеспечения требуемого качества радиосвязи. При этом предполагается, что заданы мощность сигнала на входе приемника, длина волны и протяженность радиолинии. Предполагается также, что направленные свойства передающей и приемной антенн известны, либо они требуют также определения.

Из (1.16) следует, что

, (1.19)

где Р1 и Р2 выражены в децибелах по отношению к 1Вт.

Выражение для передаваемой мощности можно переписать в другой форме, используя выражение (1.18):

. (1.20)

Из формулы (1.19) непосредственно следует, что с точки зрения распространения радиоволн задача о расчете радиолинии сводится к определению множителя ослабления, так как параметры самой радиолинии предполагаются неизменными во времени. Таким образом, формула (1.19) имеет общий характер и может быть использована для расчета любой радиолинии, а определение множителя ослабления требует знания условий распространения радиоволн на конкретной радиолинии.

Вопросы для самопроверки

1. Объяснить, какие типы радиолиний встречаются в практике радиосвязи.

2. Что называется свободным пространством?

3. Почему в свободном пространстве волна испытывает ослабление?

4. Какая зависимость связывает напряженность поля волны в свободном пространстве с излучаемой мощностью?

5. Что называется коэффициентом направленности антенны?

6. Как выглядит формула идеальной радиопередачи и почему она так называется?

7. Что называется основными потерями и как их определяют?

8. Что называется множителем ослабления?

9. Какие исходные данные требуются для определения мощности передатчика, необходимой для получения заданной напряженности поля в точке приёма?

назад | cодержание | вперёд