книги из ГПНТБ / Бородич, Сергей Владимирович. Радиорелейная связь учебник для техникумов связи

рис. 410 показан один из возможных способов возбуждения ру­ порных антенн, когда энергия высокой частоты подводится к ним с помощью коаксиальной линии. Рупоры, у которых размеры, выраженные через длину рабочей волны, одинаковы, обладают

пределах 40—60°. В этом случае обратное излучение почти от­ сутствует, но диаграмма получается несимметричной: узкой в плоскости, в которой расширяется рупор, и широкой в плоскчсти, где его размеры не изменены.

Такими волнами являются волны тина Ню. При переходе пря­ моугольного волновода в секториальный рупор поле, распростра­ няющееся вдоль рупора, со­ храняет свою структуру, по­ степенно расширяясь по ме­ ре приближения к выходно­ му отверстию рупора. Оче­ видно, что при этом плоская волна, распространяющаяся в волноводе, переходит в цилиндрическую и, следова­ тельно, в раскрыве рупора поле не будет синфазным, что при заданном сечении отверстия не позволит по­ лучить от антенны макси­

мальную направленность. Нужно иметь в виду, что поле в от­ верстии рупора будет тем ближе к синфазному, чем меньше угол раствора рупора. При заданном выходном сечении рупора это будет связано с увеличением его длины.

В рассмотренном выше секториальном рупоре была расши­ рена широкая сторона волновода а. На практике используются также рупоры, у которых расширена узкая сторона волновода.

Такой рупор показан на рис. 4.116. Кроме секториальных рупо­ ров, применяются также пирамидальные рупоры, у которых

расширены обе стороны волноводаТакой рупор показан на рис. 4.11е.

Для получения высокой направленности впереди рупора по­ мещают линзу для радиоволн. Линза превращает созданные рупором .сферические волны в плоские. Это, как указывалось ранее, равноценно излучению электромагнитной энергии в виде узкого луча.

Так как фазовая скорость распространения электромагнит­ ной энергии в волноводе выше, чем фазовая скорость в свобод­

где а — расстояние между полосками.

Q

Отношение п = — называется коэффициентом преломления

УФ

линзы.

Обычно на практике п принимается равным 0,6.

Уравнение (4.14) показывает, что металлические полоски во внутренней своей части должны быть вырезаны по форме эл­ липтической кривой.

210

Конструктивно линза оформляется в виде набора определен­ ного числа этих полосок, подобранных таким образом, чтобы внутренняя поверхность линзы, обращенная в сторону источ­ ника излучения, представляла собой поверхность эллипсоида вращения. На рис. 4.13 показан схематично набор полосок для половины линзы.

Описанная линза может быть названа ускоряющей, посколь­ ку её действие основано на увеличении фазовой скорости рас­ пространения электромагнитной энергии при прохождении через линзу.

Кроме ускоряющих линз, есть ещё замед­ ляющие линзы, у которых фазовая скорость распространения меньше, чем в свободном пространстве. Сущность работы этих линз за­ ключается в следующем. Известно, что струк­ тура кристаллического диэлектрика пред­ ставляет собой решётку из ионов, располо­ женных в пространстве симметрично и по строго однородной системе. При прохождении через диэлектрик электромагнитной волны происходит смещение электронов, принадле­ жащих ионам решётки. Возникающие при этом токи создают эффект уменьшения вели­

чины фазовой скорости распространения электромагнитной вол­ ны. Так, например, работают обычные оптические линзы.

Замедляющие линзы для радиоволн в принципе могут быть выполнены из таких же диэлектриков, как и линзы оптические.

нём будет аналогичен процессу в кристаллическом диэлектрике. Схематический разрез линзы из металлизированного ди­

электрика показан на рис. 4.14.

Если линза должна пропускать волны одной поляризации, то вместо дисков и шариков применяются металлические ленты. В этом случае линза будет пропускать без ослабления только

re электромагнитные волны, у которых электрические силовые линии перпендикулярны длинной стороне полоски.

Нужно отметить, что антенны с замедляющими линзами мо­ гут эффективно работать в более широком диапазоне частот, чем антенны с ускоряющими линзами. Для радиорелейной свя­ зи трудно сделать антенны с ускоряющими линзами, удовлет­ ворительно работающие в полосе частот, составляющей 15% — 20% от центральной частоты. Применение антенн с замедляю­ щими линзами даёт возможность легко справиться с возникаю­ щими здесь трудностями.

Коэффициент направленного действия антенн-линз в направ­ лении максимального излучения может быть рассчитан по ф-ле (4.11), если известен коэффициент эффективности апертуры, характеризующий равномерность распределения амплитуд и фаз поля в плоскости раскрыва антенны.

По экспериментальным данным этот коэффициент не пре­ восходит 0,6. Приближённо ширина угла раствора диаграммы направленности для антенн-линз с квадратной излучающей по­ верхностью определяется из формулы

где Ь — сторона квадрата,

X— длина рабочей волны.

Так как между коэффициентом направленного действия D и шириной угла раствора диаграммы направленности ф суще­ ствует зависимость [см. ф-лу (4.8)]

£) _ 52532

(Р ’

то с учётом коэффициента эффективности апертуры антенны коэффициент направленного действия антенны-линзы с квад­ ратной излучающей поверхностью можно определить с доста­ точной для практики степенью точности по следующей формуле:

12-^-. (4.16)

Рупорно-линзовые антенны в значительной мере свободны от недостатков, свойственных параболическим антеннам. Вслед­ ствие меньшей реакции поля антенны на облучатель антенна эффективно работает и хорошо согласуется с фидером в широ­ ком диапазоне частот. Благодаря экранирующему действию рупора, величина защитного действия антенны достигает 60— 68 дб, что достаточно для применения на радиорелейной линии системы двух рабочих частот.

Рупорно-линзовые антенны применяются на радиорелейных линиях с большим числом телефонных каналов, работающих в диапазоне сантиметровых волн. Коэффициент усиления антенн,

212

применяемых на практике, достигает 40 дб при площади рас* крыва 3X3 м.

Существенным недостатком рупорно-линзовых антенн явля­ ется сложность изготовления линзы: В последнее время эти ан­ тенны заменяются рупорно-параболическими антеннами, более простыми по конструкции, но имеющими все преимущества ру­ порно-линзовых антенн.

§ 4.5. Рупорно-параболические антенны

Рупорно-параболическая антенна представляет собой ком­ бинацию рупора и отражателя, являющегося частью поверх­ ности параболоида вращения (рис. 4.15).

Фокус параболоида вращения, из которого вырезается от­ ражатель, находится в горловине рупора. Характеристика на­ правленности антенны в основном определяется фокусирующим действием отражателя. Сам рупор используется главным обра­ зом в качестве экрана, направляющего электромагнитные вол­ ны только в сторону отражателя (рис. 4.16). Так как отра-

2

/ -апертура, 2—пара­ болоидальная вырезка, 3—рупор, 4—питающий волновод

жатель имеет параболоидальную форму, то сферические волны, падающие на него из рупора, после отражения превращаются в плоские. Выходное отверстие антенны закрывается диэлектри­ ком с небольшими потерями (например, пенопластом) для пре­ дотвращения попадания атмосферных осадков внутрь антенны.

На частоте 4000 Мгц при площади раскрыва, равной 8 м2, антенна имеет усиление около 40 дб. Излучение в обратную сторону меньше основного излучения на 70 дб. Это означает, что рупорно-параболические антенны обладают хорошим защит-

213

Такая система обладает рядом достоинств:

1) антенна располагается в непосредственной близости от аппаратуры, благодаря чему резко облегчается решение проблемы уменьшения отражений в фидерах, так как фидеры полу­ чаются очень короткими;

2). достигается высокий кпд передачи энергии к верхнему

зеркалу;

3)система может быть использована в весьма широком диа­

пазоне частот.

Существенными недостатками системы с отражающим зер­ калом являются:

1)наличие нежелательных отражений от башни, ухудшаю­ щих защитное действие антенн;

2)большие требования к жёсткости опор на изгиб, так как

изгиб опоры приводит к изменению наклона верхнего зеркала и отклонению луча, причём угол наклона луча равен удвоенно­ му углу наклона зеркала.

В перископической антенне, изображённой на рис. 4.18й, в качестве облучателя верхнего зеркала используется обычная параболическая антенна. Последняя установлена на крыше зда­ ния, в котором размещена аппаратура, что позволяет применить очень короткие - фидеры. Недостатками этой антенной системы ■является то, что облучатели параболической антенны подверже­ ны воздействию наружного воздуха, а параболическое зеркало может быть залито водой или забито снегом, что приводит к ухудшению или к полному прекращению, связи.

Конструкция перископической антенны, предложенная В. Д. Кузнецовым (рис. 4.186), лишена этих недостатков. Ос­ новные узлы этой антенны показаны на оис. 4.19. .

Небольшая рупорная антенна установлена внутри помещения в непосредственной близости от радиоаппаратуры и соединена с последней короткими отрезками коаксиального кабеля. Рупор­ ная антенна облучает нижнее зеркало, расположенное вблизи башни и наклонённое к горизонту под углом 45°. Рупорная ан­ тенна и нижнее зеркало, представляющее собой часть поверх­ ности эллипсоида вращения с фокусами, расположенными в центре раекрыва рупорного облучателя и в центре верхнего плоского зеркала, образуют направленную антенну с большим коэффициентом усиления, которая облучает верхнее зеркало. Применение нижнего зеркала в форме части поверхности эллип­ соида вращения позволяет обеспечить наилучшую концентра­ цию электромагнитной энергии в месте установки верхнего зеркала. Продольные и поперечные размеры зеркал выбираются так, чтобы форма поверхности раекрыва по направлению к кор­ респонденту и между зеркалами имела вид круга (рис. 4.20.).

Кпд передачи энергии от нижнего зеркала к верхнему, опре­ деляемый как отношение энергии, попадающей на поверхность верхнего зеркала, к полной энергии, излучаемой нижним зерка-

215

лом, характеризует потерю энергии на участке между зеркала­ миДля определения кпд передачи энергии можно воспользо­ ваться кривыми, изображёнными на рис. 4.21.

Коэффициент усиления описываемой антенны приближённо можно вычислить по следующей формуле:

Для передачи энергии высокой частоты от передатчика к антенне и от антенны к приёмнику используются специальные фидерные линии. К этим линиям предъявляется ряд требований.

Во-первых, необходимо, чтобы энергия, передаваемая по ли­

Во-вторых, источник энергии должен отдавать в линию мак­ симально возможную мощность. Это требование приводит к не­ обходимости производить согласование выхода генератора совходом линии.

В-третьих, источник энергии должен быть хорошо согласо­ ван с линией в сравнительно широком диапазоне частот. Это означает, что входное сопротивление линии и генератора долж­ но мало изменяться с частотой.

В-четвёртых, коэффициент бегущей волны в линии должен мало отличаться от единицы. Это требование чрезвычайно важ ­ но для радиорелейных линий, использующих частотную моду­ ляцию. Если оно не будет выполнено, то может произойти рез­ кое ухудшение качественных показателей канала связи из-за появления нелинейных искажений, вызванных отражениями в; линии.

В-пятых, фидерные линии должны обладать стабильными параметрами, мало зависящими от метеорологических условий. Для создания линий с устойчивыми параметрами приходится прибегать к ряду мер, как-то: наполнению фидера сухим воз­ духом с давлением, выше атмосферного, продувке тёплым воз­ духом и т. п. Эти меры в известной степени устраняют появле­ ние влаш на внутренних токонесущих поверхностях фидера, не­ избежное в случае плохой герметизации.

В аппаратуре радиорелейных линий наиболее часто приме­

2 1 1

ровых и дециметровых волнах. На сантиметровых волнах по­ тери в коаксиальных линиях настолько велики, что исключают их применение. Волноводы применяются главным образом на сантиметровых волнах, так как размеры сечения волновода на дециметровых волнах получаются слишком большими.

Электромагнитное поле в коаксиальной линии заключено в

конструктивные трудности возмещаются хорошими электрически­ ми показателями на очень высоких частотах. Коаксиальные ли­ нии имеют гибкую или жёсткую конструкцию. В гибкой коакси­ альной линии внутреннее пространство полностью или частично (в виде специальных шайб) заполнено высококачественным ди­ электриком с небольшими потерями. Гибкий фидер более удо­ бен для монтажа, но ему свойственны более высокие потери, чем жёсткому. Это особенно относится к линиям со сплошным заполнением диэлектриком. Жёсткая коаксиальная линия имеет внутренний проводник в виде сплошного металлического стерж­ ня, а наружный проводник представляет собой трубку. Внут­ ренний стержень закрепляется с помощью изоляционных шайб или так называемых металлических изоляторов, представляю­ щих собой отрезки короткозамкнутых коаксиальных линий, длиной в четверть длины волны. Для соединения отрезков жё­ сткой линии применяются свинчивающиеся соединения или фланцы, закрепляемые болтами.

Если по проводнику течёт ток, то проводник окружён маг­ нитным полем. Следовательно, линия имеет последовательную' индуктивность, определяемую как отношение магнитного пото­ ка, связанного с проводником, к току. Кроме этого проводники обладают последовательным активным сопротивлением. Если имеется напряжение между проводниками линии, то имеется, и электрическое поле между ними и заряды на них, причём си­ ла поля и заряды пропорциональны напряжению. Линия поэто­ му имеет параллельную ёмкость. Если изоляция между про­ водниками не идеальная, то имеется также некоторая парал­ лельная проводимость утечки. Все эти постоянные ■— сопротив­ ление, индуктивность, ёмкость и проводимость — равномерно распределены по линии.

Таким образом, электрические свойства коаксиальной линии полностью определяются четырьмя первичными параметрами:

218