3.1. Основные элементы радиосвязи

3.1.1. Излучение и распространение радиоволн. Антенны и антенно-фидерные устройства

Радиосвязь – вид связи, осуществляемый посредством радиоволн. В основе радиосвязи лежит преобразование электрической частоты в электромагнитные колебания радиопередатчиком, распространение их в пространстве и обратное преобразование радиоприёмником электромагнитных колебаний в электрические колебания.

Электромагнитные волны излучаются проводником, по которому проходит ток высокой частоты. Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитных колебаний, так как  электрическое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное – в катушке.

Если раздвинуть обкладки конденсатора и развернуть соединительные провода в прямую линию, то токи в этих проводах будут иметь одинаковое направление. Такой контур называется открытым, и он может излучать электромагнитные волны. Открытый контур в виде прямолинейного провода, в котором могут происходить электрические колебания, называют симметричным вибратором или просто вибратором (диполем). Чтобы колебания были незатухающими, его соединяют с генератором индуктивной связью. Простейшее антенное устройство для длинных и средних волн показано на рис. 3.1 [3]. 

а

б

                                    

Рис. 3.1. Антенное устройство: а – с заземлением; б – с противовесом

Над землёй на некоторой высоте (чем выше, тем лучше) подвешивается антенна – провод или система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй обкладкой является земля или второй провод – противовес, подвешенный невысоко над землёй.

Вибратор – основная часть антенн, работающих на коротких и ультракоротких волнах. Мощность излучаемых волн рассчитывается по формуле [3]

                                Р_изл = I²_a · R_изл,                                             (3.1)

где I_a – ток в пучности вибратора; R_изл – сопротивление излучения вибратора, величина которого составляет 73–80 Ом.

Сопротивление излучения вибратора определяется по формуле [3]

R_изл = 80π² · (l / λ ),                                          (3.2)

где l – длина провода антенны; λ – длина волны.

Распространяющиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определённую поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии располагаются  в соответствующих плоскостях. На рис. 3.2 [3] приведено графическое изображение электромагнитной волны. Вектор электрического поля  расположен в вертикальной плоскости, вектор магнитного поля  – в горизонтальной. Оба эти вектора перпендикулярны вектору Умова – Пойтинга . Направление вектора Умова – Пойтинга совпадает с направлением распространения волн, а его длина в принятом масштабе соответствует количеству электромагнитной энергии, которую переносят радиоволны:

 =  · .                                                 (3.3)

             

Рис. 3.2. Графическое изображение электромагнитной волны

По мере удаления от излучающей антенны плотность потока энергии радиоволн уменьшается [3]:

П = Р_изл / 4πr²,                                              (3.4)

где r – расстояние от излучателя.

Частота собственных колебаний открытого контура зависит от ёмкости и индуктивности провода. Более длинному проводу соответствует бóльшая ёмкость и индуктивность, а следовательно, и бóльшая длина волны и меньшая частота. Зависимость частоты собственных колебаний антенны от её длины рассчитывается по формуле [3]

f = 150 000 / l,                                               (3.5)

Максимальная мощность, излучаемая антенной, может быть достигнута при условии равенства частоты генератора и частоты собственных колебаний открытого контура (антенны). Простейший вид антенны – одиночный прямолинейный провод, вдоль которого укладывается половина длины волны (λ/2). Протекающий в передающей антенне переменный ток радиочастоты замыкается через ёмкость между антенной и землёй (рис. 3.3, а) [3]. Для уменьшения сопротивления цепи тока высокой частоты основание антенны заземляется. Чем меньше сопротивление заземления и больше проводимость грунтов, тем лучше условия излучения и ниже потери. Заземление может быть выполнено специальным противовесом (рис. 3.3, б) [3]. Симметричный (полуволновой) вибратор излучает радиоволны с неодинаковой интенсивностью в различных плоскостях.

Для оценки направленных свойств антенны любого типа служит коэффициент направленного действия (КНД), который показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряжённость поля в пункте приёма.

а

 

б

  

Рис. 3.3. Простейший вид антенны: а – схема протекания токов в антенне; б – устройство противовесов

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряжённость поля в пункте приёма. Коэффициент усиления антенны рассчитывается по формуле [3]

                                   σ = D ∙ η_a,                                                 (3.6)

где σ – коэффициент усиления антенны; D – коэффициент направленного действия; η_a – коэффициент полезного действия.

Наводимая эдс в приёмной антенне от приходящей радиоволны Е_пр связана с напряжённостью электромагнитного поля Е в месте приёма соотношением [3]

                                   Е_пр =  Е ∙ h_д,                                              (3.7)

где h_д – действующая высота приёмной антенны.

Фидер – это электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых осуществляется передача электрических колебаний радиочастоты. По конструкции фидеры подразделяются на симметричные открытые линии из параллельных проводов, симметричные и коаксиальные кабели, волноводы и т. д.

К фидерам предъявляются следующие требования: потери энергии высокочастотных сигналов должны быть минимальными, не должны излучать или принимать электромагнитные волны, передавать требуемую мощность без электрического пробоя.

Степень согласования фидера с антенной характеризуется коэффициентом бегущей волны и может изменяться от 0 до 1. В реальных антенно-фидерных устройствах он составляет 0,6–0,95. Нарушение согласования антенны с фидером вызывает большие потери мощности передатчика.