АФУ_Экзамен

Напряженность поля, создаваемого проводом в токе М, будет равна:

Формула содержит функцию направленности провода с бегущей волной:

Выводы:

1)Длинный провод с бегущей волной тока излучает гармонические колебания и излучение может считаться сферическим с фазовым центром в середине повода.

2)Амплитуда, создаваемая в точке приема, не зависит от длины волны.

3)ДН для нескольких значений длины провода:

4)ДН подобной антенны многолепестковая, причем при l≥λ количество лепестков в каждой четверти равно l/λ;

5)Вдоль своей оси антенна не излучает ни при какой длине, но при увеличении длины провода максимальное излучение в этом направлении будет приближаться к оси. Обладает направленными свойствами.

4. Антенны бегущей волны.

Это система вибраторов, подключенных к двухпроводной линии или диэлектрический стержень.

Антеннами бегущей волны называют антенны, содержащие конечное число или непрерывную систему излучателей, ориентированных по прямой линии, вдоль которой распространяется бегущая ЭМВ. Примером являются симметричные вибраторы, подключенные к двухпроводной линии, работающей в режиме бегущих волн.

Другим примером может служит диэлектрический стержень, в котором распр. бегущие волны, способные создать излучение с поверхности стержня. В первом примере используется конечное число вибраторов, а во втором – непрерывная излучающая поверхность. Рассмотрим второй, более общий случай.

Полученное уравнение – уравнение вида , для которого характерны следующие особенности:

1) Максимум излучения получается при ( ) = 1 или при = ( − ) = 0, откуда = = . Поскольку фазовая скорость волны в стержне слабо отличается

от скорости волны в свободном пространстве, то ≈ 0, т.е. макс. излучение антенны бегущей волны происходит вдоль оси стержня (провода).

Характерно, что вдоль провода с бегущей волной тока излучения не происходит. Такое различие объясняется тем, что в проводе с бегущей волной тока элем. вибраторы ориентированы по оси провода, а в антенне бегущей волны – перпендикулярно ему.

полученной формулы следует, что чем больше длина стержня (провода), тем меньше ширина ДН антенны бегущей волны.

5. Излучение поверхностных волн.

Пусть в плоскости zoy находится прямоугольная площадка со сторонами a и b, которую обтекает синусоидально изменяющийся ток, имеющий на всех элем. участках одинаковые амплитуду и фазу.

Такую площадку можно представить состоящей из бесконечно большого числа элем. вибраторов, примыкающих друг к другу. Сначала найдём напряжённость поля в произвольной точке, расположенной под углом к оси y на расстоянии r от начала координат, полагая при этом, что поле создаётся только элем. вибраторами, непрерывно распределёнными по оси y в пределах от y=a/2 до y=-a/2. Амплитуда напряжённости поля каждого элем. вибратора прямо пропорциональна его длине и равна . В этом случае центральный вибратор (y=0) возбуждает поле напряжённостью 0 = sin( − ) , а элем. вибраторы с координатами +y и –y создают поля, напряжённости которых1 и 2 имеют такую же амплитуду , но отличаются по фазе за счёт разности хода волн:

( ) = 2 , (− ) = − 2 .

Тогда 1 = sin ( − + 2 ) ,

2 = sin ( − − 2 ) .

Обозначим − = и применим формулу преобразования суммы синусов двух углов. Получим результирующее поле 2х вибраторов: = 1 + 2 = (sin ( + 2

) + sin ( − 2 )) = 2 cos (2 ) .

Для определения напряжённости поля, возбуждаемого всей линией вибраторов, проинтегрируем это выражение по y в пределах от 0 до a/2:

Из формулы следует, что ДН описывается уравнением:

( ) = .

Напряжённость поля E получена в результате суммирования полей элем. вибраторов, расположенных по оси y симметрично относительно т. О. Фазовый угол ( − ) указывает на то, что это же поле может быть создано эквив. вибратором, помещённым в т. О.

Если аналогичные преобразования произвести с другими элем. Вибраторами, находящимися на линиях площадки, параллельных оси y, то результирующее поле всей излучающей площадки получим суммированием полей эквив. вибраторов, которые расположены на оси z в пределах от z=-b/2 до z=b/2. При этом уравнение ДН дополняется

Здесь , – углы между направлениями в пространстве и сторонами соответственно a и b площадки. В полученном уравнении каждый множитель представляет отношение вида sinx/x.

Выводы:

Таким образом, плоская площадка, возбуждаемая синфазно по всей поверхности, создаёт макс. излучение в направлении, перпендикулярном этой поверхности. Причиной тому явл. отсутствие разности хода волн от симм. элементов излучающей поверхности до точки, расположенной в данном направлении.

2) Уравнение ДН для горизонтальной плоскости xy ( = 90) и для вертикальной xz ( = 90) соотв. имеет вид:

На основании этих уравнений можно утверждать, что ДН прямоугольной площадки в данной плоскости определяется размером излучающей поверхности в этой плоскости, отнесённым к длине волны (для xy – величиной a/λ, для xz – b/λ). Полное подобие уравнений ДН в xy и xz позволяет в дальнейшем исследовать только одно из этих уравнений, и сделанные выводы распространять также на ДН, выраженную другим уравнением.

3) Т.к. угол отсчитывается от плоскости антенны, то этот угол в пределах основного лепестка близок к 90 , а дополнительный угол ′ (равен 90 – ) мал. Следовательно, можно считать, что = ′ ≈ ′. Тогда:

Для определения ширины ДН 2 ′ следует принять ( ) = 0,707. При этом условии

уравнение удовл. при ′ ≈ 1,39 рад.

′ = 1,39 = 0,445 , рад.

Ширина ДН в плоскости xy:

2′ = 0,89 (рад) = 51 (град).

Аналогично для плоскости xz:

2′ = 51 (град).

Таким образом, направленное действие прямоугольной излучающей площадки в гориз. или вертик. плоскости тем больше, чем больше размер площадки соотв. плоскости по сравнению с длиной волны. Если a=b, то энергия, излучаемая площадкой, в основном

концентрируется в конусе, ось которого проходит через центр площадки и направлена перпендикулярно её поверхности. Если же стороны a≠b, то пространственная ДН имеет форму веера, вытянутого в направлении, параллельном узкой стороне площадки.

Применительно к круглой излучающей поверхности направленное действие тем больше, чем больше её диаметр по сравнению с длиной волны (форма конуса).

Размер плоскостей влияет на излучение.

4) ДН прямоугольной излучающей поверхности получатся многолепестковой. Боковые лепестки имеют сравнительно большую интервальность.

прямоугольной площади, но с менее интенсивными боковыми лепестками. Направленное действие излучающей поверхности тем больше, чем большее ее диметр по отношению к длине волны. Если круглая площадка возбуждается более в центре, чем по краям, то также, как в случае прямоугольной площади основной лепесток ДН расширяется, а боковые ослабевают.

6. Длинноволновые и средневолновые антенны. Антенны, применяемые в сетях ПРС диапазона ГМВ.

Основой антенны длинных и средних волн является вертикальный провод. Горизонтальные провода не могут быть исп. для излучения и приёма в ДВ и в большей части СВ-диапазонов. Это связано с тем, что из-за высокой проводимости почвы и малой высотой антенны по сравнению с длиной волны в данном диапазоне горизонтальные провода и их зеркальные отображения образуют противофазную систему, которая не излучает и не принимает радиоволны под малыми углами к земной поверхности. Тем

самым исключается появление поверхностных волн, без которых невозможна связь на длинных волнах и на значительной части средних волн.

Длина излучающего провода, а, соответственно, и высота антенны должны быть по возможности большими для увеличения сопротивления излучения. При малом ∑ антенна работает с низким КПД:

Для получения достаточно большой излучаемой мощности приходится возбуждать в антенне большой ток (PΣ=Iд2*RΣ), что связано с увеличением напряжения и опасностью перенапряжения в антенне. В связи с этим полоса пропускания антенны оказывается недостаточной для качественного воспроизведения всего спектра частот модулированного тока, так как при малом ∑ затухание антенного контура имеет малую величину. Это особенно значимо на ДВ, где на границах полосы пропускания относительная расстройка антенного контура оказывается значительной из-за низкой несущей частоты. ∑ симм. вибратора, расположенного в свободном пространстве, равно:

∑ = 800 ( д) ², где д – действующее значение высоты вибратора. Это ∑ будет в 2 раза меньше, чем ∑ вертикального заземлённого вибратора с равной действующей высотой:

∑ = 1600 ( д) ².

Поэтому в ДВ и СВ-диапазонах применяются только заземлённые вертикальные вибраторы. Потери на длинных и средних волнах в антеннах в основном определяются потерями в земле. Для уменьшения потерь применяют спец. заземление в виде одиночного провода или ряда проводов, зарытых в землю. Антенна в совокупности с системой заземления называется радиосетью.

На основании опытных данных была получена формула для вычисления сопротивления потерь:

п = , А – коэф., зависящий от качества заземления; λ – рабочая длина волны; 0 –

0

собственная длина волны антенны.

Если = 0, то п = , т.е. коэф. А равен сопротивлению потерь в антенне при равенстве рабочей и собственной длин волн. При хорошем заземлении А=0,5-2 Ом, при удовлетворительном – 2-4 Ом, при плохом – 4-7 Ом. Если в СВ-диапазоне можно получить∑ порядка десятков Ом, то в ДВ даже на высоте h=250 м отношение h/λ так мало, что ∑ исчисляется десятыми долями – единицами Ом. В то же время сопротивление потерь в антенне в лучшем случае чуть меньше 1 Ом, а поэтому ДВ-антенны работают с очень малым КПД – 10-30%.

В КВ части СВ-диапазона КПД антенн – 75-85%. Для увеличения ∑ антенны вертик. излучающий провод дополняют сетью гориз. или наклонных проводов, которые в совокупности с землёй образуют значительную ёмкость. Это способствует более равномерному распределению тока в вертикальном проводе (как в элем. вибраторе), в результате чего действующая высота антенны увеличивается, приближаясь к геометрической.

Увеличение ёмкости антенны С и одновременное уменьшение тока в ней способствует значительному снижению напряжения в антенне и устраняет опасность перенапряжения.

дд =

Кроме того, увеличение ёмкости антенны уменьшает её волновое сопротивление, увеличивая тем самым затухание антенны, что необходимо для расширения полосы пропускания. Таким образом, определился характер ДВ- и СВ-антенн как вертикальных заземлённых проводов с горизонтальной частью. Вертикальные провода называются снижением, а горизонтальные/наклонные – крышей антенны. В завис. от взаимного расположения снижения и крыши различают 3 типа антенн:

1)Г-образная антенна;

2)Т-образная антенна;

3)Зонтичная антенна.

Г- образные и Т-образные антенны состоят из горизонтальных проводов, подвешенных на 2 мачтах и вертикального провода. При чем в Г-образных антеннах вертикальный провод присоединяется к одному концу горизонтальной части, а в Т-образной к двум. В зонтичных антеннах крыша состоит из наклонных проводов, вследствие чего для подвеса антенны можно исп. одну мачту.

ДВ антенны доложены быть расположены вертикально. В горизонтальной плоскости нет приема-передачи, из-за компенсации излучения антенны излучением отраженной от поверхности земли волны. Размер антенны должен быть соизмерим с длиной волны (километровые). Горизонтальный участок позволяет повысить действующую высота антенны. В земле прокладывают провода, в совокупности с которыми антенна называется радиосетью.

Горизонтальный провод может быть использовать для связи с помощью пространственных радиоволн (отражение от ионосферы).

Антенны, применяемые в сетях ПРС диапазона ГМВ (2,13 и 2,15 МГц)

На ж/д транспорте наибольшее распространение получили 2 вида стационарных антенн диапазона ГМВ – Г-образная антенна и возбуждающий провод (индуктивная антенна),

передающие энергию в направляющую линию индуктивным способом. В этом случае связь с локомотивами осущ. не э/м полями излучения, а э/м полями индукции, распространяющимися по направляющим линиям с меньшим затуханием, чем при излучении. В качестве направляющей линии может исп. как отдельно подвешиваемый волновод (одноили двухпроводный), так и уже существующая линия передачи, включая ЛЭП, в т.ч. высоковольтные.

Для линейных участков лучше использовать индуктивную антенну, т.к. уровень сигнала на входе возимой радиостанции индуктивной антенны на 3-5 дБ больше, чем при использовании Г-образной антенны. Дистанция небольшая (25-50 м, поле индукции затухает обратно пропорционально квадрату расстояния, электромагнитное поле затухает обратно пропорционально радиусу расстояния).

Зонные сети (на крупных станциях с широким путевым развитием) — Г-образная антенна. Подключают радиостанцию на 2 нагрузки, мощность делят, уменьшается на 3 дБ (в 2 раза). Половина идет на направляющую линию, половина на Г-образную антенну.

Для передачи энергии в направляющую линию на сравнительно небольшом расстоянии от неё подвешивается отрезок одноили двухпроводной возбуждающей линии, соединяемой с выходом радиостанции через антенно-согласующее устройство.