Особенности распространения ультракоротких волн

Метровые волны применяются в радиосвязи, в радиовещании и телевидение. Дециметрового диапазона применяют в радиолокации, радионавигации и телевидение. Сантиметровые – в космической связи, радиорелейной связи, в радиоуправление. Волны этих диапазонов не отражаются от ионосферы. Ионосфера для них прозрачна. Они уходят, не преломляясь в космическое пространство. Исключения составляют дневные часы в годы максимальной солнечной активности, когда от ионосферы отражаются волны с частотой 30-50МГц. Волны этих диапазонов не способны к дифракции, поэтому важно, чтобы между передающей и принимающей станциями не было бы препятствий. Для передачи на десятки километров, когда сказывается кривизна земной поверхности, антенны поднимают на значительную высоту. Для наземных радиостанций связь на УКВ осуществляется на небольшие расстояния, а связь с космическими кораблями осуществляется на расстояния в млн. км. В случае в сверхдальней передачи телевидения, этот эффект объясняется преломлением радиоволн в результате изменения электрических свойств воздуха по мере повышения высоты, изменения температуры и содержанием влаги в тропосфере. Сверхдальний прием возможен, так же за счет отражения волн УКВ от сгустков космической пыли, обломков метеоритов, резкого изменения температуры слоев, наличием вихревых потоков. Способность волн УКВ отражаться от препятствий используется в радиолокации.

Регулярные и нерегулярные явления в ионосфере

Помимо регулярных изменений состояния ионосферы, связанных со временем года и времени суток, существуют так же и нерегулярные изменения, обусловленные цикличностью солнечной активности.

Нерегулярные явления - это явления, носящие случайный характер. Различают следующие нерегулярные явления: ионосферные возмущения и образование спорадических слоев.

Ионосферное возмущение (магнитные бури) возникают тогда, когда в атмосферу земли врываются особо мощные потоки солнечных корпускул. Эти потоки испытывают сильное влияние магнитного поля земли, которое изменяет их траекторию. Попадая в верхние слои атмосферы, корпускулярные потоки нарушают строение слоя F. Слой приобретает облачную структуру, и отражение от него радиоволн происходит как от неровной поверхности – рассеянно.

Нерегулярные (спорадические) слои появляются в ионосфере на высоте слоев Е иF. Наиболее часто появляется спорадический слой Еs, который представляет собой сравнительно тонкую область толщиной в нескольно километров с повышенной электронной концентрацией. Слой Еs обычно состоит из отдельных «облаков» с повышенной ионизацией. Этот слой является полупрозрачным. Механизм образования слоя Еs окончательно еще не установлен. Известно, что определенную роль в его образовании играют метеорные потоки.

Антенны

Антенны служат для излучения и приема электромагнитной энергии. Антенны обладают свойством взаимности, т. е. одна и та же антенна может излучать и принимать электромагнитную энергию.

Основные параметры антенны:

1. Диаграмма направленности (ДН). Диаграммой направленности называют зависимость напряженности поля, создаваемую антенной на достаточно большом расстоянии от углов наблюдения в пространстве D и j, где D - угол между линией горизонта и направлением излучения или приема в вертикальной плоскости, j - угол между направлением главного излучения или приема антенны и направлением наблюдения в горизонтальной плоскости. Для удобства изображения ДН антенн, излучающих линейно поляризованные волны, ДН рассматривают в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В некоторых случаях диаграммы удобно рассматривать в вертикальной или горизонтальной плоскости по отношению к плоскости земли. Плоские ДН изображаются в полярной или прямоугольной системах координат. ДН антенн характеризуется шириной главного лепестка. ДН оценивают также по интенсивности боковых лепестков Емакс. бок/Емакс. гл.

2. Коэффициент защитного действия антенны называется отношение напряженности поля, создаваемого антенной в главном направлении Ео, к напряженности поля в направлении противоположному главному

3. Коэффициент направленного действия в данном направлении называется отношение квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в данном направлении, к среднему значению квадрату напряженности поля.

D =Ео²/Еср², из формулы следует Ео² = D* Еср², т. е. числовое значение КНД

показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если

ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых

напряженностей поля в главном направлении.

4. Коэффициент усиления антенны называют отношение плотности потока

мощности или квадрата напряженности поля, созданного антенной в

направлении максимума излучения, к потоку или квадрату напряженности

поля, созданному эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам

мощностей.

G = Ео²/Еоэ².

Эквивалентная площадь, с которой антенна полностью поглощает энергию

волны, пришедшую с главного направления, и отдает в согласованную

нагрузку, называется действующей или эффективной площадью антенны.

Sэф = Dl²/4П

5. КПД

6. Волновое сопротивление антенны W=Uпад/Iпад

7. Входное сопротивление антенны Zвх = Rизл +Rпот +х_а

х_а – зависит от соотношения рабощей длины волны и длины вибратора. Для

вибратора l/2 Zвх = 73 Ом. Если длина вибратора >l/2 R носит индуктивный

характер, если <l/2, то емкостной характер.

8. Полосой пропускания называют область частот, на границах которой сигнал ослабляется на 3 дБ относительно максимума значения, при постоянной возбуждающей ЭДС.

9. Угол излучения или ширина ДН определяется как телесный угол, в пределах которого плотность потока энергии не изменяется больше чем в 2 раза.

10.

Действующая высота антенны характеризует, какая часть антенны в основном создает излучение. Определяется как высота прямоугольника, основание которого = Imaх, а площадь которого = площади ограниченной кривой распределения тока. Imaх – величина тока в месте включения генератора.

Imaх U =

По характеру ДН различают сильно и слабо направленные антенны. Крайним случаем слабонаправленных антенн являются всенаправленные антенны. Сильно направленные антенны излучают в узком телесном угле. Всенаправленные антенны излучают и принимают во всех направлениях примерно одинаково.

Выбор типа антенны зависит от назначения радиоаппаратуры и возможности реализации антенны данного типа в заданном диапазоне волн. Чтобы антенна формировала остронаправленную диаграмму направленности, она должна иметь большие размеры по сравнению с длиной волны. Остронаправленные антенны могут быть реализованы в диапазоне УКВ и КВ. Для радиовещания и телевидения применяются всенаправленные антенны в горизонтальной плоскости, т. е. в горизонтальной плоскости антенна излучает во всех направления одинаково. В конструктивном исполнении антенны разных диапазонов отличаются между собой. На ДВ и СВ применяются проволочные антенны. На СВ так же принимают антенны в виде башен. Антенн КВ и УКВ в простейшем случае выполняются в виде горизонтального или вертикального провода, длина которого пропорциональна длине волны. На дециметровых и сантиметровых волнах применяются рупорные антенны, диэлектрические, линзовые и параболические антенны. Непременным и обязательным условием излучения электромагнитной энергии является то, что антенна должна представлять собой открытый колебательный контур. Она должна быть системой с распределенными параметрами. В закрытом колебательном контуре, построенном на L и С, вся энергия электрического поля сосредоточена в конденсаторе, а энергия магнитного поля в катушки, т. е. они занимают очень малые объемы в пространстве, поэтому электромагнитная энергия не излучается. Двухпроводная линия так же не излучает, т. к. токи в проводах текут навстречу друг другу и создаваемые ими магнитные поля взаимно уничтожаются. Если развернуть двухпроводную линию, то силовые линии постоянного поля растянутся, захватывая большое пространство. Переменное электрическое поле вызовет появление переменного магнитного поля, лежащего в перпендикулярной плоскости, а переменное магнитное поле в свою очередь вызовет появление переменного электрического поля. Так будет происходить распространение электромагнитной энергии от антенны.

Если развернуть двухпроводную линию, она превращается в открытый колебательный контур, в котором могут происходить свободные колебания. Если к такому контуру подключить генератор, например – выходной усилитель мощности передатчика, в нем будут происходить не затухающие колебания. Антенна, полученная при разворачивании двухпроводной линии длиной l/4, называется симметричный полупроводниковым вибратором. Входное сопротивление антенн должно быть минимальным и чисто активным, тогда ее

будет легко согласовать с питающим фидером.

Собственная длина волны симметричного вибратора 2l = lо, т. к. скорость распространения электромагнитной энергии вдоль вибратора меньше скорости света, то в реальном вибраторе l = 0,47l. В самом вибраторе существует стоячие волны, а в свободном пространстве бегущие волны. Распространяющиеся от вибратора электромагнитная волна имеет определенную поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии распределяются в определенных плоскостях. Электрические силовые линии параллельны вибратору, а магнитные перпендикулярны к нему. Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Если вибратор расположен вертикально, то волна поляризована вертикально.

Фидеры

Линия, соединяющая антенну с передатчиком или приемником, называется фидером.

К фидерным линиям во всех диапазонов предъявляются следующие требования:

1. Потери энергии в фидере должны быть минимальными. Потери в фидере обусловлены нагревание проводников и изоляторов фидеров, а так же его излучением. Потери на нагревание уменьшаются путем применения проводников с высокой проводимостью и изоляторов с малыми диэлектрическими потерями. Способность фидера к излучению или приему называется антенным эффектом фидера.

2. Фидерная линия должна быть достаточно хорошо согласована с антенной, т. е. работать в режиме бегущей волны. Согласованный фидер имеет чисто активное входное сопротивление, равное его волновому сопротивлению. Входное сопротивление согласованного фидера не зависит от его длины.

В не согласованной линии появляется фидерное эхо, обусловленное наличием отраженной волны, которая после частичного отражения от начала фидера попадает в нагрузку.

Симметричные фидеры

В коротковолновых системах чаще используют симметричные фидеры, т. к. коротковолновые направленные антенны в основном являются симметричными и оконечные каскады передатчиков, имеющих симметричный выход. Симметричные фидеры выполняются в виде двухпроводных и много проводных линий из медного или биметаллического провода.

Волновое сопротивление фидера

, где

D1 – расстояние между проводами

d – диаметр проводов

При D1/d > волновое сопротивление определяется по следующей формуле:

Волновое сопротивление четырех проводного фидера:

,где

D1 – расстояние между разно полярными проводами,

D2 – расстояние между однополярными проводами,

d – диаметр проводов.

Активное сопротивление на единицу длины двухпроводного фидера, выполненного из медного или биметаллического провода:

Активное сопротивление четырех проводного фидера вдвое меньше

КПД: , a = R/2Wф – коэффициент затухания

Двух- и четырех проводные фидеры имеют одинаковые коэффициенты затухания и равные КПД.

Двухпроводный фидер с точки зрения антенного эффекта эквивалентен одновитковой рамке с площадью, равной S = lD1, l – длина фидера; D1 – расстояние между проводами. Для уменьшения антенного эффекта фидера необходимо уменьшить расстояние между проводами.

Волновое сопротивление перекрещенного фидера:

Четырех проводный перекрещенный фидер обладает малым антенным эффектом.

Коаксиальные фидеры

Симметричный двухпроводный фидер в диапазоне СВЧ работает со значительными потерями мощности на излучение, т. к. расстояние между проводами линии становится соизмеримы с длиной волны. В этом диапазоне в качестве фидера применяют коаксиальные линии и волноводы, в которых передаваемое электромагнитное поле сосредоточено внутри полой металлической трубы.

В коаксиальном фидере положение центрального проводника фиксируется диэлектрическими шайбами. Шайбы выполняются из изолятора с малыми потерями, а объем их стремятся уменьшить.

Если расстояние между шайбами взять 0,5l или кратным 0,5l, то волны отраженные от каждой шайбы, совпадают по фазе и могут создать недопустимо большую отраженную волну. Чтобы уменьшить отраженную волну расстояние между соседними шайбами нужно подчинить закону случайных чисел.

Волновое сопротивление такого фидера будет равно:

, где

а – коэффициент заполнения диэл. внутреннего пространства фидера,

- относительная диэлектрическая проницаемость

Активное сопротивление: