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

ритов весьма интересны и используются для создания в диа­ пазоне свч различных устройств типа упомянутых выше венти­ лей, или «изоляторов», безынерционных переключателей, фа­ зовращателей и т. д. В этом параграфе кратко рассматрива­ ются лишь «изоляторы» и переключатели, нашедшие уже до­ вольно широкое, применение в технике радиорелейной связи.

Рассмотрим сначала ферритовый волноводный вентиль, или. «изолятор». Если поместить в отрезок волновода тонкую фер­ ритовую пластинку параллельно узкой стенке волновода' (рис. 4.38) и воздействовать на неё постоянным магнитным по­ лем, направленным по стрелке Нг , как показано на рисунке,,

то такой отрезок волновода будет обладать свойствами вентиля, или «изолятора». Оказывается, что изменение направления рас­ пространения волны в волноводе или изменение направления постоянного поля Н z вызывает изменение величины постоянной распространения f. Таким образом, как фазовые скорости, так и затухание волщ распространяющихся в противополож­ ных направлениях, оказываются раз­ личными. Если весь волновод заполнен ферритом или если ферритовая пластин­ ка расположена симметрично в центре сечения волновода, то это явление не наблюдается.

При некоторой напряжённости по­ стоянного магнитного поля наблюдается резонансное поглощение волны, распро­ страняющейся через феррит. Можно по­ добрать такие условия (т. е. раз­

меры ферритовой пластинки и её расположение в волноводе), при которых резонансное поглощение волны, распространяющей­ ся в прямом направлении, оказывается значительно меньше поглощения волны, распространяющейся в обратном направ­ лении, т. е. это устройство работает как вентиль, или «изолятор».

Одной из основных характеристик ферритового вентиля яв­ ляется так называемое вентильное отношение, т. е. отношениевеличины обратных потерь (потерь для обратной волны) к вели­ чине прямых потерь (потерь для прямой волны). Чем больше вентильное отношение, тем лучше вентиль. Установлено, чтовентильное отношение увеличивается с уменьшением толщины ферритовой пластинки. Однако при этом уменьшается величина обратных потерь на единицу длины феррита.

Для увеличения обратных потерь на единицу длины в вол­ новод рядом с ферритом помещают диэлектрическую пластин­

волны в области расположения феррита, в результате чего воз­ растает величина обратных потерь на единицу длины.

239-

На рис. 4.39 схематически изображено расположение ди­ электрической и ферритовой пластинок в волноводе и размеры пластинок для ферритового вентиля, работающего в диапазоне около 4000 Мгц. На рис. 4. 40 показаны характеристики этого ■вентиля: величины прямых и обратных потерь и коэффициент

чае в антенном фидере будет возникать волна, отражённая от ме­ ста соединения фидера с вентилем/и применение вентиля ничего не даст. Для улучшения согласования вентиля с фидером под­

вых волн.

В технике свч используется также свойство ферритов, назы • ваемое эффектом Фарадея. Это свойство заключается в том,

540

что при распространении линейно поляризованной волны в про­ дольно намагниченном феррите плоскость её поляризации по­ ворачивается, причём направление этого вращения определяет­ ся только направлением постоянного магнитного поля, намаг­ ничивающего феррит, и не зависит от направления распрост­ ранения волны. На этом

устройство является «вращающим ферритовым элементом», пово­ рачивающим плоскость поляризации волны на 45°. Прямоуголь­ ный волновод 2 повёрнут своим сечением относительно волново­ да 1 на 45°. Сечение прямоугольного волновода 3 повёрнуто на 90° относительно волновода 1, а волновода 4 — на 90° относи­ тельно волновода 2 .

Если в прямоугольный волновод 1 подаётся волна, то она попадает далее в круглый волновод с ферритом, где плоскость

плоскость поляризации волны, поступившей из волновода 2 , по­ ворачивается на 45° в ту же сторону (по часовой стрелке, если смотреть по направлению движения волны из 2 ) в результате чего волна не может распространяться в волноводе 1 (узкая сторона сечения меньше половины длины волны) и попадает в волновод 3.

При перемене направления магнитного поля изменяется на­

Циркулятор может быть использован в качестве быстродей­ ствующего антенного переключателя,' переключающего антенну с основного комплекта аппаратуры на резервный. Для этого по­ стоянный магнит заменяется электромагнитом, волновод 1 сое­ диняется с антенным фидером, а волноводы 2 я 4 с основным и резервным комплектами аппаратуры. При переключении на­ правления тока в катушке электромагнита антенна оказывается соединённой с основным или резервным комплектом аппаратуры.

Г л а в а 5

РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

§ 5.1. Распространение радиоволн в свободном пространстве

Качество связи зависит от силы принимаемого сигнала, ко­ торая определяется величиной напряжённости поля сигнала в месте приёма или величиной мощности сигнала, поступающей на вход приёмника из приёмной антенны.

Напряжённость поля в месте приёма характеризует плот­ ность потока электромагнитной энергии в этой точке и зависит от мощности передатчика, от диаграммы направленности излу­ чателя, от параметров среды, в которой происходит распростра­ нение, и, наконец, от расстояния до излучателя.

Изменение напряжённости поля в точке приёма с расстоя­ нием до облучателя обусловлено двумя причинами. Первая из них заключается в том, что по мере удаления от излучателя энер­ гия, излучённая им, распределяется в большем объёме, вследст­ вие чего уменьшается плотность потока энергии, а следователь­ но, уменьшается и напряжённость поля. Вторая причина—это по­ глощение энергии электромагнитных волн средой, в которой про­ исходит их распространение. При увеличении пути, проходимо­ го волнами в среде, увеличиваются потери энергии и уменьша­ ется напряжённость поля.

Если отвлечься от влияния среды, то мы придём к случаю распространения радиоволн в так называемом свободном про­ странстве, т. е. в однородной среде, не вызывающей поглощения, рассеяния или отражения радиоволн. Это идеализированный случай, изучение которого имеет, тем не менее, большое теоре­ тическое и практическое значение, поскольку это изучение даёт возможность установить основные соотношения, применимые с некоторыми поправками к реальным условиям. Хорошим при­ ближением к ошчаю распространения укв в свободном прост­ ранстве является связь между точками, высоко поднятыми над поверхностью земли при использовании антенн с большой на­ правленностью.

Предположим, что в свободном пространстве расположен не­ направленный (изотропный) излучатель мощностью РизЛ . Опре-

242

делим плотность потока энергии на расстоянии R от излучателя. Для этого окружим излучатель воображаемой сферой, имеющей радиус R (рис. 5.1),.возьмём на поверхности сферы площадку 5 и найдём поток энергии, проходящий через эту площадку.

При достаточно малых (по сравнению с величиной R) раз­ мерах площадки 5, её можно считать плоской (круг радиуса г площадью т.г2). Через эту площадку проходит только часть по­ тока энертии излучателя, заключённая в объёме, представляю­ щем собой конус высотой R. Вся энергия излучателя заключена в объёме сферы. Так как излучение изотропного излучателя рав­ номерно во всех направлениях, то поток энергии, проходящий через площадку 5, очевидно, равен

Чтобы найти плотность потока энер­ гии, положим площадь равной единице,

5 = и г2 = 1.

Тогда получим

где р — плотность потока энергии, или вектор Умова-Пойнтинга,

— (если R выражено в м, а Ри3л в вт).

Положим теперь, что на расстоянии R от излучателя нахо­ дится приёмная антенна. Найдём мощность, принимаемую этой антенной. Если расстояние R достаточно геликощля того, чтобы волновой фронт можно было считать плоским, то очевидно, что эта мощность равна

Действующая площадь изотропной антенны равна

>.2

JnpО

4л

Отсюда легко найти затухание при передаче энергии в сво­ бодном пространстве между двумя изотропными антеннами, рав­ ное

В этом выражении величины R и аX измеряются в одинако­ вых единицах.

Заменим теперь изотропные антенны направленными.

Если передающая антенна имеет коэффициент направлен­ ности в направлении на приёмную антенну, равный Du то из­ лучаемая в этом направлении мощность, очевидно, равна

где Gx— коэффициент усиления передающей антенны. Действующую площадь приёмной антенны выразим также

через коэффициент её усиления, на основании формулы

где Gi и G2 — коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн по отношению к изотропному излучателю.

Из (5.6) легко найти затухание сигналов между передатчи­

Если подставить в (5.7) выражения коэффициентов усиле­ ния антенн через их действующие площади S\ и S2, то

244

изменных величинах коэффициентов усиления антенн Gj и G2 затухание обратно пропорционально квадрату длины волны (выражение 5.7), а при неизменных величинах действующих

с точки зрения уменьшения затухания в свободном простран­ стве, выгоднее применять наиболее короткие волны.

При расчёте радиорелейных линий обычно пользуются ве­ личиной затухания В св, однако в некоторых случаях желатель­ но знать также величину напряжённости поля в месте приёма.

При распространении в свободном пространстве эффектив­ ное значение напряжённости поля на расстоянии R от передаю­ щей антенны определяется по формуле

где Ризл выражена в ваттах, a R — в километрах.

§ 5.2. Распространение укв с учётом влияния Земли. Виды трасс

Ультракороткие радиоволны распространяются в нижних слоях атмосферы (в тропосфере) вблизи поверхности Земли. Исключение составляют наиболее длинные волны метрового поддиапазона, которые при благоприятных условиях могут от­ ражаться от ионосферы. Поэтому, если исключить эти случаи, то можно сказать, что на распространение укв влияют только' поверхность Земли и неоднородное строение тропосферы. Это* влияние принято учитывать так называемым множителем ослаб-- ления свободного пространства.

Для вычисления напряжённости поля в месте приёма в' реальных условиях нужно умножить величину напряжённости

Так как мощность сигнала на входе приёмника пропорцио­ нальна квадрату напряжённости поля, то на основании (5.7) и (5.10) затухание сигнала между передатчиком и приёмником в реальных условиях, называемое затуханием участка связи, можно представить в виде

Таким образом, для расчёта линий связи необходимо уметь вычислять величину множителя ослабления. Она зависит от расстояния между станциями, высот подвеса антенн над по­ верхностью земли, характера рельефа местности и электриче­ ских параметров земной поверхности, а также от метеорологи­ ческого состояния нижних слоёв тропосферы, т. е. от темпера­

246

чение напряженности суммарного поля в виде

Сравнивая (5.14) и (5.10), заметим, что для данного случая

.множитель ослабления равен

Рис. 5.3. Зависимость модуля коэффициента отражения от угла падения 0

Формулы (5.14) и (5.15) носят название интерференционных и отражательных формул.

Величина коэффициента отражения зависит от угла паде­

247

циента отражения близок к единице, а фазовый угол к 180°.

в котором величина V всегда положительна.

Из рис. 5.2 видно, что разность хода прямой и отражённой волн равна

д г = г2Гг = Г ' / p + f a + w - V w + i h b - h ? =

по биному Ньютона, ограничившись первыми двумя членами разложения, например

Эта формула была впервые выведена в 1928 г. Б. А. Введен­ ским и носит название квадратичной формулы Б. А. Введенского.

Из ф-лы (5.16) и (5.18) видно, что при изменении разности хода лучей Д г (или при изменении высоты подвеса антену) ве­ личина множителя ослабления изменяется в пределах

0х<7ч<2, .

что следует, из интерференционного характера поля в месте приёма.

Действительно, когда две волны — прямая и отражённая, име­ ющие одинаковую амплитуду, приходят в фазе, то Е =2, когда эти волны приходят в противофазе, то Е=0.

Определим, какова должна быть разность хода лучей, чтобы

24 8