книги из ГПНТБ / Гешелин М.Г. Радиотелемеханизация в нефтедобывающей промышленности (системы и элементы)

Рис. 11. Схема однопроводной, антенны

Если ИП сильно удалены и разбросаны, тогда один куст придет­ ся обслуживать несколькими антеннами на ДП. При сосредоточен­ ных объектах, когда каждая антенна ДП работает на одно направ­ ление, задача значительно упрощается. В этом случае на ДП и ИН

Рис. 12. График зависимости 9 от длины провода:

/ _ уГол 0; 2 — усиление

29

устанавливаются однотипные однонаправленные и ориентируемые строго друг на друга антенны.

Рис. 13. Схема штыревой антенны со шлейфом:

/ — труба мачты; 2 — фидер

70—75 ом

Для канала телефонной связи в системах ближнего действия с большим числом ИП, расположенных радиально, на диспетчерском пункте лучше всего использовать штыревую антенну со шлейфом и заземленным крестом (рис. 13).

Фидеры и согласующие устройства

В качестве фидерных устройств в каналах радиосвязи телемеха­ нических систем применяют исключительно коаксиальные кабели. Прохождение электромагнитной энергии по кабелю сопряжено >с изменением фазы и уменьшением амплитуды, вызываемой парамет­ рами кабеля.

Волновое сопротивление кабеля Z характеризует сопротивление, которое встречает электромагнитная энергия при своем распростра­

30

Постоянная затухания р показывает уменьшение абсолютного значения тока, напряжения или мощности при прохождении кабель­ ной цепи длиной 1 м. Фазовая постоянная а показывает изменение угла вектора тока или напряжения на участке кабельной цепи, рав­ ном 1 я. Режим передачи энергии по кабельным цепям характери­ зуется следующими режимами:

а) режимом бегущей волны, когда вся энергия поглощается приемником в конце линии; при этом режиме сопротивление прием­ ника Znp равно волновому сопротивлению Z, т. е. имеет место слу­ чай согласованной нагрузки;

б) режимом стоячей волны; этот режим наблюдается при корот­ ком замыкании кабельной цепи в конце линии, или когда линия в конце изолирована и с приемником не соединяется; при этом Znp=0 или Znp=°°; в режиме стоячих волн электромагнитная энергия пол­

В режиме несогласованной нагрузки происходит частичное по­ глощение энергии приемником и частичное отражение электромаг­ нитных волн от конца фидера. Коэффициент полезного действия в этом режиме ниже, чем в случае согласованной нагрузки *). Это объясняется тем, что к затуханию, происходившему в самом фиде­ ре, прибавляется еще затухание, вызываемое отражением электро­ магнитной энергии. Явление отражения приводит к дополнительным потерям и к искажению передаваемых сигналов.

Несогласованная с фидерной линией нагрузка в радиоканалах весьма нежелательна, так как она как бы приводит к уменьшению мощности передатчика, что влечет за собой уменьшение напряжен­ ности поля в точке приема. Поэтому вопрос согласования антенны и фидера имеет весьма актуальное значение в технике антенных со­ оружений. Согласование антенны и фидера сводится к трансформи­ рованию сопротивлений.

Для согласования антенны и фидера может быть использована четвертьволновая линия, обладающая способностью трансформиро­ вать сопротивление.

Электрические характеристики и конструктивные данные радио­ частотных коаксиальных кабелей приведены в конце книги.

Четвертьволновый трансформатор. Кабель длиной может

трансформировать сопротивление в сторону увеличения и уменьше­ ния. Волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора для согласования входного сопротивления антенны с волновым со­ противлением фидера определяется следующим выражением:

uzTp

*) Так как в приемник поступает только часть дошедшей до конца линии энергии.

31

Схема согласующего четвертьволнового трансформатора показа­ на на рис. 14.

Рис. 14. Схема четвертьволнового трансформатора:

1 — согласующий отрезок линии с волновым сопротивлением 150 ом; 2 — фидер 300 ом

При согласовании обычного полуволнового вибратора имеем:

М7тр —У/З-Зби = 150 ом,

т. е. волновое сопротивление трансформатора в данном случае рав­

но 150 ом. Длина трансформатора на 2,5% короче -j- .

Повышающий трансформатор (разомкнутый четвертьволновый отрезок линии). Для уяснения принципа действия разомкнутого четвертьволнового повышающего трансформатора необходимо рас­ смотреть распределение тока в антенне (рис. 15).

Рис. 15. Схема повышающего трансформатора:

1 — активный вибратор; 2 — со­ гласующий трансформатор (из

трубки); 3—фидер

Точки а—а совпадают с пучностью тока, что соответствует низко­ му входному сопротивлению антенны. В точках б—б, как показано

32

на рис. 15, ток уменьшается, что соответствует повышению сопро­ тивления. Максимальная величина сопротивления четвертьволново­ го трансформатора определяется из отношения

U72

о — тр Атах — ~.

°вх

Перемещая точку подключения фидера к трансформатору, мож­ но плавно менять входное сопротивление; это позволяет найти опти­ мальную точку присоединения фидера, в котором входное сопротив­

тально. В антеннах волновой канал согласующим элементом может являться сам петлевой вибратор, соединяемый с передатчиком 300-омным двухпроводным фидером.

Симметрирующие устройства

Симметрирующие устройства используются в тех случаях, ког­ да симметричную антенну соединяют с коаксиальным кабелем. При соединении симметричной антенны непосредственно с коаксиальным кабелем наблюдается асимметрия токов в плечах антенны, что при­ водит к искажению диаграммы направленности и сильному рассо­ гласованию между антенной и фидером; к.п.д. рассогласованного антенного устройства снижается.

Симметрирующие устройства, наиболее эффективно используе­ мые в антеннах радиоканалов телемеханических систем, можно раз­ делить на компенсационное симметрирующее устройство, U-колено и симметрирующую петлю.

Компенсационное симметрирующее устройство применяется при простом полуволновом вибраторе, соединяемом с коаксиальным ка­

замкнутый шлейф, так и запорный дроссель. Подключение коротко­ замкнутого шлейфа с коаксиальным кабелем к антенне показано на рис. 16. Симметрирование производится короткозамкнутым шлейфом

длиной При подключении шлейфа ток будет ответвляться в

шлейф от плеча, в котором он имеет большое значение, в той же пропорции, что и от плеча, в котором он имеет меньшее значение, так как диаметры трубок шлейфа одинаковы. Шлейф подстраивает-

ся закорачивающим мостиком. Различие токов в плечах антенны компенсируется за счет ответвления тока в шлейф.

Запорный дроссель показан на рис. 17. В качестве запорного

Рис. 17. Запорный дроссель.

короткозамкнутым кабелем. На противоположном конце кабель за­ мыкается на свою оболочку и соединяется с оболочкой фидера. Расстояние между кабелями фиксируется жесткой перемычкой; оно должно составлять 60—80 мм.

Компенсирующее устройство образует короткозамкнутый чет­ вертьволновый двухпроводный фидер, у которого входное сопротив-

34

ление близко к бесконечности. В результате этого токи, ответвляю­ щиеся в компенсационное устройство, будут весьма малы. Симме­ трирующее устройство, не изменяя входного сопротивления антен­ ны, позволяет полностью согласовывать фидер с антенной, входное сопротивление которой равно волновому сопротивлению фидера.

U-колено одновременно выполняет две функции: симметрирова­ ния и согласования входного сопротивления антенны и волнового сопротивления коаксиального кабеля.

Рис. 18. U-колено

U-колено (рис. 18) выполняется в виде петли из кабеля той же марки, что и фидер. Длину U-колена можно определить из отно­ шения

. Даб

2k Г’

где е — диэлектрическая проницаемость изолятора, примененного в кабеле.

Для большинства кабелей г, =2, 3, т. е. J/V = 1, 5, откуда для большинства кабелей длина U-колена I равна Уз U

В точках присоединения U-колена к антенне токи равны, но про­ тивоположны по фазе, в связи с чем становится возможным присо­ единение симметричной антенны. Если входное сопротивление ан­

тенны равно /?вх , то U-колено уменьшает его до - -°* , так как в точках присоединения U-колена подключается симметричный ви­

т. е. половине входного сопротивления симметричного вибратора. Но так как фидер подключен только к одному концу U-колена, то на­ грузка последнего на противоположном конце, отнесенная к точке подключения фидера, может рассматриваться как включенная та<м параллельно. В силу последнего суммарная нагрузка на фидер бу­ дет равна

что и указывалось выше.

Приведенная зависимость позволяет сделать весьма важный вы­ вод о том, что при использовании U-колена для фидера нужно вы-

Рис. 19. Симметрирующая, петля

бирать кабель, такого типа, чтобы его волновое сопротивление Z бы­ ло в четыре раза меньше входного сопротивления антенны. Величи­ на волнового сопротивления кабеля, из которого выполняется U-ko- лено, не имеет значения; может быть взят любой кабель, так как трансформирующие свойства от этого не меняются.

Симметрирующая петля (рис. 19) работает по тому же принци­

Симметрирующая петля позволяет получить согласование в тех слу­ чаях, когда входное сопротивление антенны меньше волнового со­ противления фидера. Трансформирующим устройством сопротив­ лений являются дополнительные четвертьволновые отрезки петли.

Симметрирующая петля должна изготовляться из кабеля того же типа, что и фидер. Наилучшее симметрирование получается, ког-

36

III. модуляция

Помехоустойчивость радиоканалов в значительной степени за­ висит от выбранного типа модуляции, так как ширина спектра сиг­ нала находится в прямой связи с типом модуляции. Электрические сигналы, соответствующие тому или иному сообщению, в телемеха­ нической системе не могут быть переданы на расстояние непосред­ ственно по радио. Для этой цели используются электромагнитные волны сверхвысоких частот, в то время как информационные сооб­ щения в каналах телемеханических систем передаются с примене­ нием низких частот.

Изменение высокочастотных колебаний излучаемых электромаг­ нитных волн в соответствии с низкочастотными электрическими сиг­ налами сообщения носит название модуляции.

Модулированное высокочастотное колебание содержит колеба­ ния низкой частоты, проявляющиеся в изменениях того или иного параметра, который характеризует высокочастотное колебание, а именно: амплитуды, частоты или начальной фазы. При немодулированном синусоидальном высокочастотном колебании эти параметры

. постоянны.

Немодулированные, чисто синусоидальные колебания электро­ магнитной энергии высокой частоты носят название несущей частоты. Содержание низкочастотного колебания в модулированном сигнале надо рассматривать не как слагаемое, а как сомножитель *). В свя­ зи с этим необходимо иметь в передающем устройстве модулятор, а в приемном — детектор, извлекающий низкочастотные колебания.. По этим соображениям метод обычной фильтрации непригоден. При детектировании фильтром отделяются высокочастотные состав­ ляющие.

При синусоидальном колебании несущей частоты ток генератора представляет чисто гармоническое колебание:

Модуляцию можно осуществить, изменяя в соответствии с пере­ даваемым сигналом амплитуду, частоту или фазу. При изменении амплитуды модуляция называется амплитудной (AM), при измене­

где x(t) — низкочастотный сигнал.

37

Необходимо иметь в виду, Ито при изменении фазы всегда имеет­

эквивалентны. В силу этого можно ограничиться рассмотрением толь­ ко амплитудной и частотной модуляций.

■ Все случаи модуляции сопровождаются пропорциональным при­ ращением х((),з результате чего получаются следующие выраже­ ния:

для AM — 1т = /0 + Д/х (О

для ЧМ — ю = u>0 -|- Д®х (f).

Мгновенное значение тока при амплитудной модуляции имеет вид:

высокой частоты при модуляции. Это отношение характеризует глу­ бину модуляции и обозначается буквой т:

Выражение для модулированного колебания по амплитуде в со­ ответствии с последним отношением запишется так:

i =. /„ (1 4- т cos Wjf) cos u>oz?,

или согласно вышеприведенному

откуда

Коэффициент модуляции tn должен быть меньше единицы; в противном случае будет иметь место перемодуляция, характеризую­

*) Справедливость этого утверждения можно иллюстрировать выражениями для ФМ и ЧМ колебаний:

/фи = 4 cos |о>01 + Д X (0|;

|/чм = Io cos |ш014- Ди х (i)|,

где х(0 lx(t)dt.

Эти выражения отличаются только тем, что при ФМ входит модулирующая функция x(t), а при ЧМ — интерграл от этой функции.

38