Опорный конспект по теме: Радиоволны. Антенны
1. Радиоволны и теория их распространения.
2. Антенны.
1. Радиоволны и теория их распространения. Для передачи извещений по радио и в радиоканальных системах передачи извещений используется спектр электромагнитных волн, называемых радиоволнами. Радиоволны представляют собой меняющееся во времени электрическое и магнитное поле. Эти поля находятся друг к другу в таком соотношении, что полная энергия, переносимая радиоволной, делится между ними поровну. В плоскости, перпендикулярной распространению радиоволн, угол между векторами напряженности электрического и магнитного поля равен прямому.
Радиоволны описываются следующими характеристиками:
1. Длина волны (λ) – кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 180 0 (2π). Фаза – это состояние (стадия) периодического процесса.
2. Период колебания волны (Т) – время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, то есть время. за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны λ.
3. Частота колебаний электромагнитного поля (f) – число колебаний поля в секунду. Определяется по формуле:
|
f |
= |
1 |
|
T |
Единицей измерения частоты является герц (Гц) – частота, при которой совершается одно колебание электромагнитного поля в секунду. Так как в радиотехнике приходится иметь дело с очень большими частотами колебаний, то на практике применяются единицы, значительно большие, чем герц, такие как килогерц (кГц - 1.10 3), мегагерц (МГц - 1.10 6) и гигагерц (ГГц – 1.10 9 ).
4. Скорость распространения волн от источника энергии (С). В свободном пространстве скорость распространения радиоволн так же как и скорость света, зависит от среды, в которой она распространяется, и приблизительно равна в свободном пространстве 300 000 км/с (3х108 м/с). Соотношение между скоростью распространения с, длиной волны λ и частотой f дается в виде выражения
|
λ |
= |
с |
|
f |
Для случая распространения в свободном пространстве
|
λ |
= |
300 |
|
f |
где λ – длина волны, м
f – частота, МГц
Радиоволны в радиотехнике принято классифицировать по положению в пространстве плоскости поляризации.
Под плоскостью поляризации понимают плоскость, пересекающую волну и вектор электрического поля Е. Радиоволны с вертикальным вектором Е называют вертикально поляризованными, а с горизонтальным – горизонтально поляризованными. Плоскость поляризации у последних горизонтальная, а вектор магнитного поля Н находится в вертикальной плоскости. Схематично горизонтально поляризованная волна в пространстве показана на рисунке 1, где вектор S – вектор, показывающий направление переноса энергии.
Рис.1 Горизонтально поляризованная электромагнитная волна
(вдоль оси Х направлен вектор магнитного поля Н, вдоль оси У – вектор электрического поля Е).
Для передачи сигналов применяют как горизонтальную, так и вертикальную поляризацию. Эксперименты показали, что при вертикально поляризации радиоволн при их распространении в пространстве со множеством вертикальных, хорошо отражающих препятствий, например, в городах (стены зданий, водосточные трубы, фонарные столбы и т.п.) или в лесу (деревья) к месту приема приходит больше отраженных волн. Кроме того, системы зажигания автомобилей внутреннего сгорания, обычно расположены вблизи земли, дают вертикальную составляющую, сильно мешающую при приеме радиоволн с вертикальной поляризацией.
Вместе с тем, практически очень трудно получить горизонтальную или вертикальную поляризацию радиоволн в чистом виде, ибо составляющие радиоволн всегда находятся в различных плоскостях, кроме того, в результате отражений на приемную антенну приходят и отраженные радиоволны.
На практике поляризация для электромонтеров ОПС, обслуживающих сигнализацию объектов, подключенных на РСПИ, выливается в простое правило – ПРИЕМНАЯ и ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННЫ должны расположены в одной плоскости – ВЕРТИКАЛЬНО, чтобы обеспечить устойчивый канал связи.
Характерной ошибкой является установка антенны на объекте параллельно земле (в коробе над окном), а приемной на здании ПЦН – вертикально. При таком взаимном расположении антенн ни о какой надежности работы РСПИ не может быть и речи.
Характеристики распространения радиоволн зависят в первую очередь от их частоты.
1. Сверхдлинные волны (СДВ) имеют очень низкие частоты – 10 – 30 кГц.
Волны очень низких частот характеризуются тем, что имеют малое затухание при распространении над поверхностью земли. Кроме того, пространственная волна хорошо отражается. Поэтому такие частоты применимы для систем связи на очень большие расстояния (порядка тысяч км). Антенные системы обычно очень громоздкие и имеют высокую стоимость.
2. Длинные волны (ДВ) с частотами 30 – 300 кГц. В этом диапазоне затухание поверхностной волны увеличивается. Существенно возрастает в дневное время затухание пространственной волны для высокочастотной части диапазона. В результате в дневное время дальность действия уменьшается до до нескольких сотен км при неблагоприятных условиях. Однако возможно дальнее распространение пространственной волны.
3. Средние волны (СВ) 300 – 3000 кГц. эти частоты включают широковещательный диапазон 500 – 1 500 кГц. Антенны конструируются таким образом, чтобы обеспечить хорошее распространение поверхностной волны в заданном районе. Зона действия может быть радиусом примерно 200 км.
4. Короткие волны (КВ) с частотами 3 – 30 МГц. Распространение таких волн характеризуется очень малой зоной действия поверхностной волны. Для связи на большие расстояния используется только пространственная волна.
5. Ультракороткие волны (УКВ) (метровые) с частотами 30 – 300 МГц. В общем случае при частотах выше 30 МГц радиоволны не отражаются от ионосферы, и поэтому передача за счет пространственной волны невозможна. Зона действия поверхностной волны определяется преломлениями и отражениями в тропосфере. Поглощения в тропосфере очень малы.
6. Ультракороткие волны дециметровые (ДЦВ) с частотами 300 – 3 000 МГц. В этом диапазоне влияние атмосферы становится существенным. В общем поглощение в атмосфере увеличивается с частотой, кроме некоторых частот. Атмосфера преломляет радиоволны таким образом, что возможна передача сигналов «прямой видимости» за оптический горизонт.
7. Ультракоротковолновые волны, сантиметровые (СВМ) с частотами 3 000 – 30 000 МГц. Они распространяются практически до верхней границы частот, когда еще можно говорить о распространении радиоволн на заметное расстояние. На частотах более 10 000 МГц затухание в осадках становится очень заметным. Могут быть сконструированы на таких частотах антенные системы с высокой направленностью.
2. Антенны. Антенна – это устройство, применяемое для передачи или приема радиоволн. С другой стороны, антенну можно рассматривать как устройство для согласования линии передачи или генерации радиочастоты с окружающим пространством. Поле в непосредственной близости от антенны называется полем индукции. Это поле имеет сложную структуру и быстро уменьшается с увеличением расстояния от антенны. Единственная наиболее важная составляющая, которая существует и за пределами непосредственной близости около антенны, это поле излучения. Амплитуда этого поля уменьшается обратно пропорционально расстоянию от антенны.
Активное сопротивление антенны. В виду того, что антенна обеспечивает согласование источника высокочастотной энергии, она представляет собой активную нагрузку определенной величины. Эта нагрузка называется активным сопротивлением антенны. Полное сопротивление антенны учитывает такие факторы, как омические потери в проводниках антенны, потери на излучение, потери из-за наличия короны, вихревых токов, утечки и т.п. Для большинства практических целей необходимо учитывать только омическое сопротивление и сопротивление излучения.
. Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВ или ρ) это отношение максимального и минимального значений напряжения или тока. Коэффициент стоячей волны по мощности (КСВМ или ρ2 ) – это квадрат коэффициента стоячей волны по напряжению. Таким образом
Зависимость КСВ и мощности отраженной волны представлена в таблице
|
КСВ |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
|
Мощность отраженной волны, % |
0 |
0,22 |
0,8 |
4,0 |
11,1 |
18,4 |
25,0 |
Если потерями в линии можно пренебречь, а нагрузка является чисто активной, то коэффициент стоячей волны по напряжению равен отношению величин сопротивления нагрузки и волнового сопротивления или волнового сопротивления и сопротивления нагрузки. В любом случае он больше единицы.
Основные типы антенн. Простейшей антенной является диполь – короткая прямолинейная антенна с неравномерным распределением тока по длине.
Параметры антенн
По ГОСТ 11289-65 антенны подразделяются по двум основным признакам:
- по месту установки – наружные и комнатные;
- по диапазонным свойствам – одноканальные, многоканальные и диапазонные.
Приемные антенны характеризуются следующими параметрами.
Входное сопротивление – это отношение напряжения на зажимах антенны к току на входе фидера. Входное сопротивление антенны зависит от её длины, формы, расположения клемм, к которым подводится фидерная линия, а также в некоторой степени от проводников и различных объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве.
В общем случае входное сопротивление состоит из активной и реактивной составляющих. Последняя может быть как индуктивной, так и емкостной. Наличие реактивной составляющей приводит к уменьшению мощности, поступающей из антенны в фидер. Поэтому антенну необходимо настроить на резонанс с частотой принимаемого сигнала, то есть подобрать её длину, чтобы на нужной частоте реактивная составляющая входного сопротивления была равна нулю.
При двухканальном приеме сигналов антенну следует настраивать на среднюю частоту.
Антенна отдает в приемник наибольшую мощность, если её входное сопротивление равно волновому сопротивлению фидера, то есть антенна согласована с фидером.
Действующая высота (длина) антенны (hд) – это высота некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока по её длине, излучаемая (принимаемая) мощность которой должна быть равна соответствующей мощности реальной антенны в направлении максимального излучения.
Действующая длина (высота) полуволнового вибратора, находящегося в свободном пространстве, если приемник включен в его середине, определяется соотношением:
|
h д |
= |
λ |
|
π |
где λ – длина волны в м, а π = 3,1415
Введение понятия «действующая высота» позволило упростить расчет наводимой в приемной антенне электродвижущей силы. Если умножить действующую высоту на напряженность поля в точке приема (Е), то можно получить значение э.д.с, развиваемой на зажимах антенны (е) в случае, когда сигнал приходит с направления максимального приема.
е = Е h д
Коэффициент усиления по напряжению (полю) – величина, показывающая, во сколько раз напряжение, создаваемое антенной данного типа на согласованной нагрузке приемника, превышает напряжение, создаваемое полуволновым вибратором на той же нагрузке.
Коэффициент усиления по мощности – отношение мощностей, развиваемых данной антенной и полуволновым вибратором на согласованных нагрузках при одинаковой напряженности поля в точке приема.
Коэффициент усиления по мощности численно равен квадрату коэффициента усиления по напряжению.
Высокий коэффициент усиления приемной антенны необходим для того, чтобы получить возможно большую мощность на входе приемника для перекрытия внутренних шумов.
При малом уровне напряженности поля в месте приема важно также, чтобы антенна обладала свойством пространственной избирательности, то есть ослабляла внешние помехи, не уменьшая при этом величины полезного сигнала. Пространственная избирательность антенны характеризуется коэффициентом направленного действия (К.Н.Д.).
Коэффициент направленного действия представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность, поступающая на вход приемного устройства при приеме на данную направленную антенну, больше мощности, которую можно было бы получить при приеме на ненаправленную антенну, принимающую одинаково со всех направлений и имеющую КНД, равный 1.
Коэффициент усиления, рассматриваемый в отношении ненаправленной антенны, численно больше коэффициента усиления полуволнового вибратора по мощности в 1,64 раза, по напряжению – в 1,28 раза (√ 1,64).
Материал можно СКАЧАТЬ
