книги из ГПНТБ / Терсин, В. Я. Радиоэлектроника и радиотехнические измерения учебник для школ техников ВМФ

—относительная магнитная проницаемость среды;

sr— относительная диэлектрическая проницае­ мость среды.

Мощность бегущей волны выражается формулой

Р=*1и = р г 0 = -%-.

Чтобы в линии существовал режим бегущей волны, к концу линии необходимо включить потребитель с ак­ тивным сопротивлением RH, равным волновому сопро­ тивлению. Тогда вся мощность бегущей волны будет по­ требляться этой нагрузкой.

С т о я ч и е в о л н ы в р а з о м к н у т о й л и н и и . В разомкнутой линии энергия бегущей волны не может быть поглощена, так как нет потребителя. Поэтому бе­ гущая волна отражается от конца линии и в линии по­ являются одновременно две волны. Одна — падающая — движется от генератора к концу линии, а другая — от­ раженная— движется в обратном направлении. Физи­ чески процесс отражения можно объяснить так. Когда падающая волна доходит до конца линии, то там накап­ ливаются заряды, а значит, возникает дополнительная разность потенциалов. Она действует как некоторый ге­ нератор и возбуждает в линии новую волну, движущую­ ся от конца линии к ее началу, т .е. отраженную волну.

Двигаясь навстречу друг другу, они складываются, образуя стоячие волны. При стоячих волнах поток энер­ гии вдоль линии отсутствует. Это объясняется тем, что падающая и отраженная волны напряжения и тока, имеющие равные амплитуды, переносят через любое се­ чение линии равное количество энергии, но в противо­

20

остаются в одних и тех же точках линии, т. е. суммар­ ная волна «стоит на месте».

Коэффициентом стоячей волны называется отноше­ ние амплитуды напряжения (тока) в максимуме к ам­ плитуде напряжения (тока) в минимуме

Суммарная (стоячая) волна

Рис. 2.5. Сложение падающей и отра­ женной волн

Коэффициент бегущей волны есть величина, об­ ратная Кс.в-‘

Следует отметить, что при режиме, когда RHне рав­ но Z0, входное сопротивление не является чисто актив­ ным, а имеет реактивную составляющую, величина кото­ рой характеризует возврат части энергии в генератор. В том случае, когда в конце линии включено реактивное сопротивление (емкость или индуктивность), энергия падающей волны также не расходуется, а лишь времен­ но запасается и возвращается обратно. В линии возни­ кает режим стоячих волн, о котором уже говорилось.

21

§ 3. Согласующие и симметрирующие устройства

Если линия используется в качестве фидера, т. е. для передачи энергии от генератора высокочастотных колебаний к антенне и наоборот, то наиболее выгодный режим (рецсим бегущей волны) получается в случае их согласования (т. е. при равенстве нагрузочного RH и волнового ZBсопротивлений). Процесс настройки линии на бегущую волну называется согласованием линии. При согласованной линии с нагрузкой (RH= ZB) повы­ шаются к. п. д. ли-нии и стабильность работы генерато­ ра, улучшаются избирательные свойства приемных схем.

Сущность согласования состоит в том, что вблизи нагрузки включают дополнительную неоднородность. Возникающая от нес отраженная волна должна быть равна по величине и иметь противоположную фазу по сравнению с волной, отраженной от несогласованной на­ грузки. Тогда волны, отражённые от нагрузки и неодно­ родности, скомпенсируют друг друга и возникнет режим бегущей волны.

Для согласования нагрузки с волновым сопротивле­ нием линии и для согласования двух линий с различ­ ным волновым сопротивлением применяют четвертьвол­ новые линии — трансформаторы (рис. 2.6) и короткозамкнутые шлейфы (рис. 2.7).

Согласующие элементы включают между нагрузкой и фидером. Если сопротивление нагрузки имеет чисто активный характер, то для согласования линии исполь­ зуют четвертьволновой трансформатор. Его волновое сопротивление ZTp определяется формулой-

Zrp — ]/"Z0RH.

Если согласуются две линии с различными волновы­ ми сопротивлениями, то

Z Tp— \ZZ\Z 2>

где Z\ и Z2— волновые сопротивления линий.

Для согласования линии с нагрузкой, имеющей ак­ тивную и реактивную составляющие, требуется прежде

22

мый согласующим шлейфом. Точки присоединения у и длина самого шлейфа х определяются по формулам:

Рис. 2.6. Четвертьволновые трансформа­ торы

С и м м е т р и р у ю щ и е у с т р о й с т в а . При изуче­ нии процессов в линии нами предполагалось, что она находится в свободном пространстве. На самом деле

\

Рис. 2.7. Короткозамкнутый шлейф

двухпроводные линии окружены предметами, которые влияют на ее работу. В простейшем случае таким пред­ метом является плоская проводящая поверхность, со­ единенная с землей.

Двухпроводная линия называется симметричной, если в любом сечении потенциалы ее проводов относи­ тельно земли равны по величине, но противоположны по фазе. В противном случае линия называется несимме­ тричной.

23

Коаксиальная линия, внешняя оболочка которой за­ землена, является несимметричной. Открытая двухпро­ водная линия, у которой провода расположены на раз­ ной высоте от заземленной плоскости, также является несимметричной. Если же провода этой линии находят­ ся на одинаковом расстоянии от заземленной плоско­ сти, то линия будет симметричной.

L г

Рис. 2.8. Схема соединения фидеров с помощью симметрирующего устройства в виде U-колена

Нагрузки двухпроводных линий также могут быть

симметричные или несимметричные.

При соединении источников ВЧ колебаний с двух­ проводными линиями, а также линий с нагрузками на их конце следует всегда учитывать свойства симметрии всех элементов канала передачи высокочастотной энер­ гии. Подключение симметричного элемента к несимме­ тричному дела;ет симметричный элемент также несимме­ тричным. Это отрицательно влияет на работу всей си­ стемы и является недопустимым. Для сохранения свойств симметрии у симметричных элементов при их соедине­ нии с несимметричными используют симметрирующие устройства.

Вдиапазоне метровых и более длинных волн для указанных целей используется, симметрирующий транс­ форматор.

Вдиапазоне метровых и дециметровых волн симме­ трирующие устройства конструктивно выполняются в виде отрезков коаксиальных линий. Наибольшее приме­ нение нашло устройство в виде Д-колена (рис. 2.8).

24

любого радиотехнического устройства является антенна. Она предназначена для излучения и приема радиосиг­ налов и представляет собой колебательный контур, отличающийся от обычного контура тем, что индуктив­ ность и емкость не сосредоточены в катушке и конден­ саторе, а распределены по длине всего провода. По­ этому в антенне магнитное и электрическое поля также не замкнуты в ограниченном объеме катушки и конден­ сатора, а расположены вдоль всего провода антенны, что и позволяет ей излучать электромагнитную энергию. Любая антенна обладает свойством обратимости, т. е. она может использоваться в качестве передающей и приемной. Передающая антенна преобразовывает высо­ кочастотные колебания в свободные электромагнитные волны, распространяющиеся в окружающем простран­ стве.

При приеме радиосигналов в той же антенне проис­ ходит обратное преобразование.

Электрическое и магнитное поля органически свя^ заны между собой и взаимно обусловливают друг дру­ га. По существу, оба рассматриваемых поля являются характеристиками единого электромагнитного поля —

поля излучения.

Будучи возбужденным в пространстве, поле излуче­ ния оказывается уже несвязанным с излучающим заря­

26

дом q (или антенной); оно распространяется и в том случае, если -возбудивший его заряд исчезнет.

Электрическое и магнитное поля антенны представ­ ляют собой бегущие волны, распространяющиеся по всем направлениям от возбудившего их заряда.

Поле излучения переносит электромагнитную энер­ гию в пространстве в направлении его распространения. Энергия электромагнитных волн, т. е. поля излучения, яв­ ляется преобразованная антенной энергия высокой ча­ стоты, выработанной передатчиком.

Для характеристики ориен­

тации векторов £ и Я электро­ магнитного поля вводят поня­

ввертикальной плоскости.

Если же излучатель расположен горизонтально, то излу­ чаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию

(рис. 3.1.).

К а ч е с т в е н н ы е п о к а з а т е л и а н т е н н ы . Ка­

магнитных волн, излучаемых антенной. Эта мощность имеет активный характер, так как' рассеивается в про­ странстве. Ее можно выразить через активное сопро­ тивление,. называемое сопротивлением излучения:

Сопротивление излучения характеризует способность, антенны к излучению радиоволн при данной силе тока, возбуждаемого в антенне.

2. Мощность потерь Рп— мощность, расходуемая передатчиком в земле, проводах и изоляторах антенны.

27

Она является также активной и может быть выражена через активное сопротивление — сопротивление потерь:

3. Мощность в антенне Ра— мощность, подводимая к антенне от передатчика. Она состоит из излучаемой мощности и мощности потерь:

Р* = Яизл + РП= 1\ (Яим + /?п).

Мощности в антенне соответствует активное сопро­ тивление

Сопротивления Ra, Rmn, Rn являются параметрами ан­ тенны.

4. К. п. д. антенны — отношение излучаемой мощно­ сти ко всей мощности, подводимой к антенне:

5.Диаграммой направленности антенны называется графически представленная зависимость излучаемой или принимаемой энергии радиоволн от направления. Диа­ грамму направленности обычно снимают в двух пло­ скостях: горизонтальной и вертикальной. Строят ее в полярной или прямоугольной системе координат.

6.Шириной диаграммы направленности называется угол 20, в пределах которого мощность электромагнит­ ного поля уменьшается не более чем в два раза по сравнению с максимальной мощностью излучения.

Зависимость тока антенны от частоты питающего генератора называется частотной характеристикой ан­ тенны (рис. 3.2). Ее «завалы» на частотах fm[n и /Шах

показывают ослабление тока при отклонении частоты генератора от резонансной частоты антенны, что приво­ дит к искажению сигнала.

Для получения максимального тока в антенне ее на­ страивают, как правило, конденсатором переменной ем­ кости в резонанс с частотой передатчика. При индук­

28

тивной связи с генератором антенна является вторич­ ным контуром и в ней получаетсярезонанс напря­ жений.

Идеальная х арант ерист ина

дмин чес ■?маис

Рис. 3.2. Частотная характеристика антенны

§ 2. Типы антенн

Простейшая антенна — это симметричный вибратор. Он представляет собой четвертьволновую разомкнутую линию. Симметричный вибратор называют еще полу­ волновым, так как на его длине укладывается одна по­ луволна тока (напряжения). Большинство свойств двух­ проводной линии сохраняется и у вибратора. На его концах возникают узлы тока и пучности напряжения. Распространение тока и напряжения вдоль вибратора получается такое же, как и вдоль проводов линии. Установлено, что в вибраторе существует режим сме­ шанных волн, т. е. имеются и стоячие, и бегущие волны. Стоячие волны указывают на колебание энергии (т. е. на переход электрической энергии в магнитную и обрат­ но), бегущие обусловлены излучением энергии в про­ странство и активными потерями в проводах.

Основное отличие вибратора от линии состоит в его способности хорошо излучать радиоволны. Двухпровод­ ная линия слабо излучает энергию, так как магнитные поля обоих проводов почти полностью взаимно компен­ сируются вследствие противоположных направлений то­ ков в проводах. В вибраторе обе половинки проводов расположёны на одной линии и токи в них совпадают по направлению, а излучения от этих токов, скла­ дываются. Сопротивление излучения симметричного

29