Ослабление помех направленной антенной

Помехи радиоприему могут быть внешними и внутренними. Внешние помехи создаются электромагнитным излучением радиостанций, различными техническими устройствами, атмосферными и космическими явлениями. Уменьшение индустриальных и естественных помех осуществляется вынесением приемных радиостанций на значительные расстояния от городов и промышленных центров и применением направленных антенн с высокими значениями коэффициентов направленного и защитного действия. Внутренние помехи обусловлены шумами входных цепей приемника, тепловым движением электронов в антенне и фидере. Качество приема определяется отношением сигнал-помеха: Рс/Рш, где Рс— мощность полезного сигнала; Рш — суммарная мощность внешних помех и внутренних шумов, отнесенных ко входу приемника.

В диапазонах декаметровых и более длинных волн основными являются внешние помехи. В этом случае пониженный КПД приемной антенны в одинаковой степени снижает на входе приемника полезный сигнал и помехи, сохраняя неизменным отношение сигнал-помеха. Это позволяет в указанных диапазонах использовать приемные антенны с невысоким КПД, но с хорошими направленными свойствами. Такие антенны требуют меньших материальных затрат и могут работать в более широком диапазоне частот. Уменьшение уровня сигнала на входе приемника в этом случае может быть скомпенсировано дополнительным усилением в приемнике, затраты на создание которого гораздо ниже стоимости сложной антенны с высоким КПД.

В диапазонах ОВЧ, УВЧ, СВЧ за счет применения антенн с высокими коэффициентами направленного и защитного действия уровень внешних помех значительно меньше внутренних шумов. В этих условиях для улучшения отношения сигнал-помеха необходимо повышать КПД и КУ антенн, а также стремиться к снижению уровня внутренних помех: шумов антенны, фидера и приемника.

Если уровень внешних помех значительно выше внутренних шумов и поле внешних помех равномерно приходит со всех направлений, а направление прихода полезного сигнала совпадает с направлением главного максимума ДН, то применение направленной антенны на приеме по сравнению с ненаправленной улучшает отношение Рс/Рш в D раз. В случае направленной внешней помехи, идущей с одного направления, приемную антенну, а следовательно, и ее ДН можно ориентировать так, чтобы направление на помеху совпало с направлением нулевого (минимума) приема, тогда отношение сигнал-помеха может быть улучшено более чем в D раз. Направление максимального приема в этом случае может несколько отличаться от на­правления прихода полезного сигнала.

Рис.. Подавление помех направленной антенной

При связи на относительно небольшие расстояния в пределах прямой видимости, например в случае радиорелейной связи или передачи телевидения, передающая и приемная антенны должны работать с волнами одной поляризации. Если в процессе распространения волна проходит через ионосферу или отражается от нее, то возможно изменение плоскости поляризации. Например, при работе пространственной волной в диапазоне декаметровых волн плоско поляризованная волна, излучаемая передающей антенной, в процессе распространения в ионосфере преобразуется в эллиптически поляризованную. В этом случае приемная и передающая антенны могут иметь несогласованные поляризации.

Электромагнитная совместимость.

Под электромагнитной совместимостью понимают способность радиоэлектронных средств функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным системам. Потребность в увеличении передаваемых потоков информации приводит к уплотнению частотных диапазонов, увеличению мощности передатчиков, необходимости работы нескольких систем в одних и тех же частотных спектрах. В этих условиях повышение достоверности передаваемой информации может быть достигнуто увеличением расстояний между системами, работающими в одних частотных спектрах, уменьшением уровня паразитного излучения (гармоник, комбинационных частот) передатчиками, разносом по поляризации и применением на приеме и передаче антенн с большими значениями коэффициентов направленного действия при малых уровнях заднего и боковых лепестков ДН.

Шумовая температура антенны. Вследствие тепловых флуктуации на выходе любой электрической цепи создается напряжение флуктуационных шумов. Чем меньше Т, тем меньше уровень шума и тем более слабые сигналы могут быть надежно приняты. Антенны с большими уровнями боковых лепестков и слабым защитным действием могут принимать тепловое излучение Земли. Мощность шумов, а следовательно, и шумовая температура таких антенн выше. Например, у слабонаправленной антенны Та=150...300 К, у антенн с малым уровнем боковых лепестков и высоким КНД Тэ.а=10...30 К. Снижение шумовой температуры антенны достигается уменьшением уровня боковых лепестков, повышением защитного действия и уменьшением потерь в фидере.

Чувствительность любой приемной системы определяется отношением полезного сигнала к уровню шумов на выходе приемного устройства. Величина полезного сигнала прямо пропорциональна коэффициенту усиления антенны, а шумы на выходе приемника складываются из собственных флуктуационных шумов приемника и шумов антенны, т. е. шумовой температуры. Отношение сигнал-шум на выходе приемника можно оценить добротностью

Добротность земных станций космической связи составляет 20... 35 дБ и более.

Относительно высокий уровень естественных и индустриаль­ных помех вызывает необходимость в зоне вещания иметь на­пряженность поля полезного сигнала не менее 1 мВ/м. В боль­шинстве случаев высокое качество приема обеспечивается только при E ≥ 5 мВ/м. В этих условиях приемная антенна может иметь небольшую действующую высоту (Lд≈ 1 м), но максимально воз­можный КНД.

Простейшие антенны. При отсутствии индустриальных помех прием может осуществляться на простейшие антенны с нижним питанием: наклонный луч, Г-образная антенна, выпол­ненные из одного провода с высотой до 15 м и длиной горизон­тальной части до 30 м. Заземление выполняется из оцинкованно­го листа или стальной оцинкованной трубы, заложенных в зем­лю на глубину 1,5—2 м.

Рамочные антенны.Рамки применяются в качестве приемных антенн в радиовещании, измерениях, пеленгации и других службах. Рамки больших размеров выносятся из помещения и
выполняются одновитковыми в форме треугольника или многоугольника.

Периметр рамки берется всегда значительно меньше длины волны (обычно р≤0,1λкор).

Принцип действия рамочной антенны. Рамку в форме прямоугольника малых размеров (a<<λ; b<< λ) расположим вертикально по отношению к земле так, чтобы плоскость рамки составила угол φ с направлением прихода вертикально поляризованной волны (рис. 14.10,а). Амплитуды поля в пределах рамки примем неизменными по величине. Однако за счет разности хода лучей фаза поля у провода 2 угол 0,5 ka cos φ, а у провода 4 опережать на угол 0,5 ka cos φ фазу поля в центре рамки. Провода 1 и 3 пер­пендикулярны Е, и в них ЭДС не наводится. В многовитковой рамке все витки соединены последовательно и ЭДС, наведенная в такой рамке увеличивается на количество витков

Диаграмма направленности рамочной антенны

F(φ)=cosφ имеет форму «восьмерки» (рис. 14.10,6).

С направлений, перпен­дикулярных плоскости рамки, антенна не принимает.

Действующая длина рамочной ан­тенны

Lд = nkS = 2πnS/λ

Действующая длина рамочных антенн мала. Например, одновитковая рамка площадью 1 м² на волне 500 м имеет Lд = 0,01 м. Для сравнения штырь высотой 1 м имеет Lд = 0,5 м.

Рамочная антенна имеет малое сопротивление излучения и низкий КПД. Для рамочной антенны КНД равен 1,5. Малый КНД не позволяет значительно улучшить отношение сигнал-помеха. Ценным свойством ДН рамки является наличие направлений с «нулевым» приемом. Эта особенность позволяет использовать рамку для пеленгации, а также для подавления помех, направ­ление прихода которых совпадает с «нулем» ДН. Рамка позво­ляет существенно подавить помеху, но при этом должен отсутст­вовать так называемый антенный эффект, который проявляется при нарушении симметрии рамки. В многовитковых рамках ма­лого размера антенный эффект устраняют экранированием ее витков. Экранированная рамка состоит из металлической (не магнитной) трубы в форме круга или квадрата, внутри которой размещены витки рамки. В верхней своей части экран разреза­ется, образуя зазор, заполненный диэлектриком-изолятором. Электромагнитная волна в экране, как в одновитковой рамке, на­водит ЭДС. Эта ЭДС в зазоре экрана создает напря­женность поля. В каждом про­воднике, расположенном в зазоре, наводится ЭДС. Поскольку все проводники в зазоре (витки рамки) соеди­нены последовательно, результирующая ЭДС, наведенная в экра­нированной рамке, увеличивается в n раз.

Рамки с сердечником. Для увеличения действующей длины рамок малых размеров применяют магнитодиэлектрические сердечники. С увеличением час­тоты и магнитной проницаемости увеличиваются потери в магнитодиэлектрике.

Поэтому сердечники для антенн берут с относи­тельной магнитной проницаемостью в диапазоне гектометровых волн μ=400...600, декаметровых μ≤ 100 и метровых — не более 10. Рамки с магнитодиэлектрическими сердечниками часто назы­вают ферритовыми антеннами и располагают их непосредственно внутри корпуса приемника. Ферритовая антенна работает как ин­дуктивность входного контура. Добротность антенного контура Q выбирают исходя из необ­ходимой полосы пропускания и на частотах 150 ... 1600 кГц огра­ничивают соответственно значениями 15...50.

Применение транзисторов, имеющих малое входное сопротивление, требует согласования с антенной. Для этого на сердечнике располагают специальную катушку связи с небольшим числом витков (рис. 14.11,в). Подбором числа витков и положением этой катушки добива­ются оптимальной связи.

Рис. 14.12. Гониометрическая антенна

Гониометрические антенны. Рамки с большой площадью вит­ка вращать затруднительно. Вместо вращающейся рамки применяют го­ниометрические антенны. Гониометри­ческая антенна (рис. 14.12) состоит из двух одинаковых наружных рамок, расположенных перпендикулярно друг другу; гониометрического блока и сое­динительной линии. Гониометрический блок находится в помещении вблизи приемника. Он состоит из трех кату­шек: двух полевых (статорных), рас­положенных перпендикулярно друг другу, и одной поисковой (ро­торной), расположенной внутри полевых. Гониометрический блок выполняется так, что с поворотом катушки искателя взаимоиндук­ция между ней и статорными катушками изменяется. В этом случае ЭДС, наведенная в поис­ковой катушке в зависимости от угла ее поворота, повторяет форму ДН рамочной антенны, т. е. вращение поисковой катушки экви­валентно вращению наружной рамки.

Кардноидная антенна. Система, состоящая из гонио­метрической (или рамочной), вертикальной несимметричной ан­тенн и контура сложения (рис. 14.13,а), позволяет получить ДН в горизонтальной плоскости с одним направлением «нулевого» приема. Вертикальная антенна, например штыревая, в горизон­тальной плоскости является ненаправленной, и ЭДС, наведенная в ней, не зависит от направления прихода волны Регулиров­кой сопротивления R можно добиться того, чтобы на выходе кон­тура сложения напряжения от вертикальной Uв и гониометриче­ской Ur антенн были равными и совпадали по фазе. ДН гониометра в горизонтальной плоскости, кото­рая имеет форму кардиоиды (рис. 14.13,6).

Антенна бегущей волны. В реальных условиях приема помехи одновременно приходят с различных, не явно выражен­ных направлений. Для борьбы с такими помехами необходимо су­зить ДН и повысить КНД приемной антенны. Хорошие направ­ленные свойства в широком диапазоне позволяют получить ан­тенны бегущей волны. Несимметричная однопроводная антенна бегущей волны (обозначается ОБ L/H, рис.14) состоит из длинного провода длиной L= (0,5 ... 6)λ, расположенного низко на высоте H = 0,5... 5 м над землей. С одной стороны провод зазем­ляется через активное сопротивление R=Wа, а с другой подклю­чается к приемнику. Провод располагается в направлении при­нимаемой станции. Рассмотрим принцип действия антенны.

При распространении волны над землей с конечной проводи­мостью вектор е волны наклоняется в сторону распространения и кроме нормальной (перпендикулярной) составляющей поля Ен появляется тангенциальная составляющая Ет. Чем хуже проводи­мость почвы, тем больше Ет. Антенна рассчитана на прием тан­генциальной составляющей поля. Следовательно, чем хуже проводимость почвы, тем более эффективна антенна. Поскольку про­вод на конце замкнут на сопротивление, равное волновому, в ан­тенне (проводе) устанавливается режим бегущей волны. Волно­вое сопротивление антенны (однопроводной)

Wa = 138lg(4H/d),

где d и Н — диаметр и высота подвеса провода.

При увеличении длины антенны больше оптимальной ухудша­ется ДН, понижается КНД. Коэффициент укорочения волны ξ в антенне зависит от диаметра провода, его высоты подвеса, пара­метров почвы и определяется по графикам. Расчеты показывают, что с увеличением высоты подвеса провода возрастает действующая длина антенны и ее КУ. Вместе с этим уменьшается защитное действие за счет приема на вертикальные провода снижений ан­тенны и увеличивается ее стоимость. Для работы на одной фик­сированной волне длину провода антенны выбирают равной (4. ...5)λ. Если предполагается работа в диапазоне волн, то при­нимают L= (4 ... 6)λкор. Для получения режима бегущей волны и хорошего защитного действия антенну на конце заземляют через резистор 2…5 Вт сопротивлением 500…550 Ом. Заземление антенны выполняются из 10-15 радиальных проводов длиной по 10 м, заложенных на глубине 20…30 см .