книги из ГПНТБ / Смирнов Б.В. Основы электроники и техники связи учебник

6- Как происходит процесс распространения электромагнитных колебаний в ли­

Г л а в а XIV

РАДИОСВЯЗЬ

1. Принцип радиосвязи

Радио позволяет осуществлять телефонную передачу или вооб­ ще передачу любых сигналов без проводов. Ток iM, возникающий при разговоре в микрофоне (рис. 158), поступает на передатчик, где происходит модуляция колебаний высокой (несущей) частоты, которые вырабатываются в возбудителе передатчика.

Излучаемые передающей антенной радиоволны (от тока /д) возбуждают в приемной антенне ток высокой частоты i A' . В при­

емнике он усиливается усилителем высокой частоты, а затем в де­ текторе преобразуется в ток звуковой частоты !д того же вида, что и колебания тока микрофона. После усиления эти колебания пода­ ются на громкоговоритель или телефон.

Радиоволны в зависимости от их длины принято делить на пять

Рис.' 158. Принципиальная схема радиотелефонной связи.

236

5) ультракороткие, длина волны от 0,1 до 10 м, частота 3000-^ 30 МГц, в том числе:

метровые от 1 до 10 м, частота 300—30 МГц, дециметровые от 0,1 до 1 м, частота 3000—300 МГц,

сантиметровые от 0,01 до 0,10 м, частота 30 000—3000 МГЦ;

2. Передающие и приемные антенны

Физическая сущность процесса излучения радиоволн. Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. К основным параметрам, характеризую­ щим свойства антенн, относятся коэффициент направленного дей­ ствия, коэффициент усиления и коэффициент полезного fleficTBHHi

Антенна имеет зону индукции, в пределах которой излучения электромагнитных волн не происходит, так как электромагнитное поле индукции связано с антенной, и зону излучения, простираю­ щуюся за зоной индукции и характеризующуюся наличием элект­ ромагнитных волн, «оторвавшихся» от антенны.

Обычный закрытый колебательный контур непригоден для со­ здания электромагнитных волн, способных распространяться на значительные расстояния. Все электрическое поле такого контура сосредоточено в небольшом пространстве между обкладками кон­

Если раздвигать пластины конденсатора, то электрическое по­ ле будет занимать все большее и большее пространство (рис. 159,6, в, г). С увеличением расстояния между пластинами емкость конту­ ра будет уменьшаться, поэтому, чтобы сохранить прежнее значе­ ние емкости, нужно увеличить площадь пластин. Для этого заме­ ним пластины двумя растянутыми проводами (антенной), обла­ дающими той же емкостью. Электрическое поле такого конденса-

а5

Рнс. 159. Переход от замкнутого контура к открытому (антенне).

тора будет занимать гораздо большее пространство, чем у конден­ сатора обычного замкнутого контура (рис. 159, д).

Точно так же можно увеличить пространство, занятое магнит­ ным полем, если заменить катушку прямым проводом большой длины. Силовые линии магнитного поля будут распределены по длине всего провода и займут значительно большее пространство, чем силовые линии поля катушки.

При увеличении напряжения генератора заряды в каждый по­ следующий момент времени t\, t2, г'з перемещаются ближе к концам

удалившееся от антенны поле не может исчезнуть мгновенно, так как действие всякого заряда на какую-либо точку пространства сказывается не мгновенно, а по истечении некоторого времени. Это время определяется скоростью движения поля, которая имеет ко­ нечную величину (300 000 км/с). Поэтому, когда начинается вто­ рой полупериод (t7), внешнее поле первого полупериода начинает отодвигаться от антенны внешним полем второго полупериода

Рис. 160. Образование воли вокруг антенны и процесс их «отрыва» от антенны.

238

„ Оторвавшееся “ электрическое поле

гающиеся во все стороны радиоволны (рис. 161).

Отсюда нетрудно установить, что максимальное излучение обе­ спечивается при соблюдении следующих условий:

б) амплитуды напряжения и тока в антенне имеют наибольшие значения.

Элементарный вибратор. Основные соотношения для зоны из­ лучения вначале удобно рассмотреть на примере элементарного вибратора (с идеальными условиями работы). Считается, что рас­ пространение электромагнитной энергии от такого вибратора про­ исходит без потерь в свободном пространстве, а ток по длине виб­ ратора распределяется равномерно: В' результате таких допущений электромагнитные волны, возбуждаемые различными участками элементарного вибратора, в произвольной точке пространства име­ ют одинаковую фазу.

Амплитуды напряженности электрического и магнитного полей при длине вибратора I и токе 1т в нем имеют следующие значения:

где 0 — угол между радиусом к точке г пространства и осью виб1 ратора.

На основании этих выражений можно утверждать, что напря­ женность полей: а) прямо пропорциональна длине вибратора

239

(а следовательно, площади излучающей поверхности) и току в нем (а следовательно, подводимой к вибратору мощности); б) обрат­ но пропорциональна длине волны передаваемых колебаний и рас­ стоянию от вибратора.

Множитель sin 0 показывает, что перпендикулярно оси вибра­ тора поле максимально, а вдоль осп вибратора оно равно нулю, то есть вибратор обладает направленными свойствами.

Работа передающей антенны. Количество энергии, излучаемой вибратором, характеризуется мощностью излучения:

где /с= — действующее значение тока в вибраторе.

У Т Множитель при /2 называется сопротивлением излучения:

где Rz — сопротивление излучения, Ом; I — длина антенны;

X — длина волны (/ и X должны быть в любых одинаковых единицах).

Напряженность электрического поля на расстоянии г от вибра­ тора

6,7 У К

В указанных формулах Р %— в ваттах, /е — в амперах, г — в метрах, Ее — в вольтах на метр.

Коэффициентом направленного действия называется отношение мощности, излучаемой в направлении максимального излучения, к мощности ненаправленного (равномерного во все стороны) излу­ чения.

Обозначим напряженность поля в точке пространства на рас­ стоянии г от середины вибратора для направленного излучения че­ рез Ее, а для ненаправленного — через Еео- Поскольку мощность электромагнитной волны пропорциональна квадрату напряженно­ сти поля, коэффициент направленного действия

Напряженность в экваториальной плоскости

Тогда

Работа приемной антенны. Электромагнитные волны простран­ ства индуктируют в приемной антенне токи высокой частоты, кото­ рые подаются на вход приемного устройства. Эквивалентную схе­ му приемной антенны можно представить состоящей из эквивалент­ ного генератора с э. д. с. £ пр и внутренним сопротивлением Zr, а также последовательно включенного сопротивления нагрузки ZH (входное сопротивление приемного устройства).

Мощность (действующее значение), отдаваемая антенной в на­ грузку с активной составляющей Д„,

Для полуволнового симметричного вибратора

где К н К(о,5) — коэффициенты усиления данной антенны и полу­ волнового вибратора.

Для приемных антенн большое значение имеет расположение их относительно земли, что определяет поляризацию волны. При вертикальной передающей антенне силовые линии электрического поля, распространяющегося вдоль земной поверхности от зазем­ ленной антенны, перпендикулярны поверхности земли и поле име­ ет вертикальную поляризацию. Для наведения максимума тока в приемной антенне силовые линии такого поля должны с ней сов­ мещаться, то есть приемная антенна должна быть вертикальной. При использовании наклонной антенны прием ухудшится, а при горизонтальной может полностью прекратиться.

Вертикальные антенны. Высота антенны, на протяжении кото­ рой ток антенны равен току у ее основания, называется действую­ щей высотой. Здесь имеется в виду равенство двух площадей: площади, ограниченной физической высотой антенны и кривой то­ ка в ней, и площади прямоугольника, образуемого амплитудой то­ ка у основания антенны и высотой, равной действующей высоте антенны.

Для случая распределения синусоидального тока в вибраторе, когда /г<Х (К — длина волны принимаемых колебаний),

Для четвертьволнового вибратора

242

Рис. 162. Диаграмма направленности горизонтального вибра­ тора:

«з, 0, в, г, д —■в горизонтальной плоскости; е — в вертикальной плос* кости.

Вследствие отсутствия излучения от элементарных вибраторов вдоль осп симметричный вибратор любой длины не излучает элект­ ромагнитных волн вдоль своей оси. В общем случае с увеличени-

ем длины вибратора по сравнению с — (рис. 162, а) излучение в

экваториальной плоскости уменьшается (рис. 162,6, в).

При l=%, 2А,, ЗА, ... число лепестков диаграммы направленности

Согласующие устройства. Не всегда удается непосредственно подключить антенну к выходу передатчика или к входу приемника. Симметричные антенны подключают коаксиальным пли симметрич­ ным кабелем, ленточным кабелем или их заменителями. В обоих случаях требуется предусмотреть у зажимов вибратора специаль­ ные устройства: симметрирующие для подключения несимметрич­ ного (коаксиального) кабеля к симметричной антенне или согла­ сующие для преобразования сопротивлений.

Напряжения и токи каждого из вибраторов диполя симметрич­ ны относительно земли. Коаксиальный кабель несимметричен. Он состоит из центральной жилы и оболочки. Если подключить к од­ ному вибратору жилу, а к другому оболочку, то симметрия напря­ жений и.токов вибраторов по отношению к земле нарушится и принимаемый сигнал будет искаженным.

Один из способов борьбы с этим явлением — применение сим­ метрирующей петли — U-колена (рис. 163), представляющего со­ бой отрезок коаксиального кабеля длиной в половину волны — %/2 (А, — длина волны, соответствующая средней частоте-канала). Жи­ лы этого отрезка подключаются к вибраторам диполя, а оболочка заземляется (рис. 163,Л). В результате напряжения и токи каждо­ го вибратора по отношению к земле находятся в одинаковых ус­ ловиях и остаются симметричными.

244

Если потери в фидере (с волновым сопротивлением рк) отсут­ ствуют, то мощность на еговходе равна мощности на его выходе:

Но, так как напряжения в точках а и б относительно земли рав­ ны, то

и лнг = и я -f t/« = 2и^.

Тогда

«/-

Рк

Отсюда

^вых ^Рк-

Следовательно, U-колено в 4 раза увеличивает выходное сопро­ тивление фидера по сравнению с его волновым сопротивлением. Если рк= 7 5 Ом, то режим безотраженной передачи может быть обеспечен при работе с антеннами, у которых /?вх= 3 0 0 Ом.

В тех случаях, когда необходимо понизить выходное сопротив­ ление Явых, каждое плечо U-колена дополняется четвертьволновым трансформатором в виде отрезков кабеля а—а' и б—б! длиной Я/4 (рис. 163,5). Входное сопротивление такого трансформатора (с волновым сопротивлением рт), нагруженного активным сопро­ тивлением Явх,

Для обеспечения безотраженной передачи между U-коленом и диполем необходимо, чтобы

ZBX= RВЫХ

Рис. 163. Согласующие и симметрирующие устройства:

А и Б — U-колено; В — реактивны!) шлеПф; П — к входу ультракоротко­ волнового приемника (например, телевизора).

245