Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Рис. 1.24. Система из двух вибраторов:

а – вибратор с активным рефлектором; б – вибратор с пассивным рефлектором; в – вибратор с пассивным директором

ратора 2 формируется поле Е2, опережающее по фазе на90° поле Е1, излученное вибратором 1. За время прохождения полемЕ2 рас-

стояния d = 0,25l от вибратора 2 до вибратора 1 произойдет отставание по фазе на угол90°. Имевшееся опережение по фазе окажется скомпенсированным, и около вибратора 1 поля Е1 и Е2 обоих излучателей будут иметь одинаковые фазы. Таким образом, в направлении вибратора 1 будет распространяться волна с удвоенной напряженностью поля (левая векторная диаграмма на рис. 1.24, а).

При распространении в направлении вибратора2 поле Е1 вибратора 1, пройдя путь d = 0,25l до вибратора 2, получит отставание по фазе на угол 90° и окажется в противофазе с полемЕ2 вибратора 2 ( j1 = –90°, j2 = +90°). Здесь поля взаимно компенсируются, и излучения в этом направлении не будет(правая векторная диаграмма на рис. 1.24, а). В рассмотренной системе вибратор2 является отражателем и называется рефлектором или зеркалом. Рефлектор, который питается непосредственно от генератора, называется активным рефлектором.

Для упрощения конструкции антенн вибратор 2 часто выполняется пассивным. К нему не подводят питания. Пассивный вибратор возбуждается в этом случае полем активного вибратора. Рассмотрим, например, систему, состоящую из активного вибратора1 и пассивного вибратора 2 (см. рис. 1.24, б). Предположим, что в вибраторе 1 генератором возбуждается ток I 1. В вибраторе, как и в разомкнутой на конце линии с малыми потерями, устанавливается режим стоячей волны, при котором напряжение U1 отстает от тока I 1 на угол, близ-

кий к 90° (векторная диаграмма на рис. 1.24, б). Напряжение U1 создает около вибратора 1 поле Е1 , совпадающее с ним по фазе. При распространении поля Е1 до пассивного вибратора 2 произойдет запаздывание фазы поля на угол 90° и поле у вибратора 2 – Е12 будет отставать по фазе от тока I 1 на 180°. Поле Е12 в вибраторе 2 наведет ЭДС e2, совпадающую по фазе с Е12.

Пассивный вибратор 2 должен иметь плечо l > 0,25l, т.е. общую длину, несколько большую 0,5l. Реактивное сопротивление такого вибратора имеет индуктивный характер, и ток I 2, обусловленный ЭДС e2, будет отставать от нее на угол, близкий к 90°. В результате ток I 2 пассивного вибратора 2 оказывается отстающим от тока I 1 активного вибратора 1 на угол, близкий к 270°, что эквивалентно опережению на 90°. Пассивный вибратор с длиной 2l2 > 0,5l в рассматриваемой системе ведет себя как пассивный рефлектор.

Если пассивный вибратор взять короче0,5l (см. рис. 1.24, в), то его реактивное сопротивление будет иметь емкостный характер. Теперь ток I 2 будет опережать ток I 1 на угол, близкий к 90°. Максимум излучения будет направлен в сторону пассивного вибратора2. За активным вибратором поле будет ослаблено. Такой пассивный вибратор называется директором.

Отметим, что антенны, использующие вышеописанный принцип, широко применяются и в диапазоне метровых волн. Наибольшее применение они нашли в качестве приемных телевизионных антенн метрового и дециметрового диапазонов.

Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн.

В диапазоне УКВ используются преимущественно антенны, обладающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости. При малой длине волны такие антенны получаются достаточно компактными, что дает возможность, не встречая больших технических трудностей, делать их вращающимися. Благодаря этому имеется возможность, получая большой выигрыш в мощности и уменьшая взаимные помехи радиостанций, осуществлять связь по любым желаемым направлениям.

Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наиболее часто используются различные симметричные и несимметричные вибраторы.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы телевизионных антенн.

Самой простой телевизионной приемной антенной является - ди польная антенна (линейный полуволновой вибратор) (рис. 1.25, а), а наиболее удобным в конструктивном отношении– петлевой вибратор Пистолькорса (см. рис. 1.25, б). Этот петлевой вибратор можно рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, распо-

Рис. 1.25. Дипольный (а) и петлевой (б) вибраторы и их диаграмма направленности (в)

ложенных на малом расстоянии друг от друга. В точке с вибратора располагаются пучность тока и узел напряжения, что соответствует режиму короткого замыкания. В точках b и d, отстоящих от с на 0,25l, образуются узел тока и пучность напряжения. На зажимах антенны a и e возникает пучность тока. Наличие узла напряжения в точкес позволяет крепить вибратор в этой точке к стреле или мачте непосредственно без изоляторов.

Описанные антенны обычно могут обеспечить качественный прием телевизионных передач на сравнительно небольших расстояниях от телецентра, так как они являются слабонаправленными(см. рис.1.25, в). Для приема на больших расстояниях или при неудовлетворительных условиях приема на малых расстояниях применяются более сложные антенны, имеющие лучшую направленность.

В диапазоне метровых волн в качестве направленных антенн большое распространение получили антенны типа«волновой канал». Антенна «волновой канал» (рис. 1.26) состоит из активного вибратора А, рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2, Д3. Из приведенной на рис. 1.26, б диаграммы направленности видно, что коэффициент усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать на помехи с других направлений. Принцип действия рефлектора и директора рассмотрен нами выше.

Антенна типа «волновой канал» может работать и как передающая антенна. Активный вибратор А в этом случае излучает электромагнитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении директоров. Под воздействием этого поля в рефлекторе наводится ток, который создает вторичное поле – поле излучения рефлектора. Если длину рефлектора выбрать равной (0,51…0,53)l, а расстояние между рефлектором и активным вибратором (0,15…0,25)l, то вторичное поле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле активного вибратора на угол около90°. Результирующее поле за рефлектором будет равно разности напряженностей полей, созданных активным вибратором и рефлектором. В главном направлении – направлении

Рис. 1.26. Антенна типа «волновой канал» (а) и ее диаграмма направленности (б)

директоров и далее – поля от активного вибратора и рефлектора будут складываться в одной фазе и результирующее поле увеличится. В реальной антенне опережение фазы тока в рефлекторе несколько отличается от 90°, а амплитуда тока в рефлекторе несколько меньше, чем в активном вибраторе. Поэтому некоторая часть энергии излучается антенной за рефлектор.

Директоры антенны возбуждаются результирующим полем активного вибратора и рефлектора. Для того чтобы вторичное поле директоров повышало напряженность поля в главном направлении, наведенные в них токи должны отставать по фазе от тока активного вибратора. Это достигается соответствующим выбором длин директоров и их взаимным расположением. Длины директоров выбирают равными (0,41…0,45)l. Расстояние между директорами и первым директором и активным вибратором выбирают(0,1…0,34)l. С уменьшением расстояний между активными и пассивными вибраторами ток в пассивных вибраторах увеличивается, но при этом за счет влияния последних сильно уменьшается входное сопротивление активного вибратора. Для облегчения согласования антенны с фидером активный вибратор часто выполняют петлевым.

Специфические требования предъявляются к передающим антеннам метровых волн для звукового и телевизионного радиовещания, так как они располагаются на большой высоте и несут большую -ме ханическую нагрузку от ветра; кроме того, увеличивается вероятность удара в них молнии.Поэтому при конструировании антенн избегают применения керамических изоляторов, а по мере возможности -ис пользуют жесткие механические конструкции.

Телевизионные передающие антенны должны обеспечивать возможно большую зону обслуживания. Так как в большинстве случаев телецентр располагается вблизи середины зоны обслуживания, диа-

Рис. 1.27. Передающая телевизионная антенна

грамма направленности передающей антенны в горизонтальной плоскости должна быть круговой. Для уменьшения бесполезного излучения сигнала в верхнее полупространство в вертикальной плоскости желательна концентрация излучения в направлении горизонта. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать широкую полосу пропускания порядка 8 МГц.

На первых телевизионных станциях в нашей стране применялись антенны Б.В. Брауде, представляющие собой вибратор плоской конструкции, в котором излучающие пластины для уменьшения ветровой нагрузки заменены проводниками (см. рис. 1.27, а).

Если вертикальный размер антенны выбрать 0,25l, то эту антенну можно рассматривать как обычный симметричный вибратор, совмещенный с короткозамкнутым шунтом (рис. 1.27, б). В нем, так же как и в рассмотренном на рис. 1.25 петлевом вибраторе, точки а–а имеют нулевой потенциал, и антенну в этих точках можно непосредственно крепить к мачте без изоляторов. Это упрощает грозозащиту. Изоляторы необходимо устанавливать лишь в точках питания вибратора.

Недостатком вибратора Брауде является то, что горизонтальные проводники в нем возбуждаются токами разных амплитуд. Объясняется это тем, что по мере продвижения по шунту напряжение от максимального значения в точках подключения питания падает до нуля в точках короткого замыкания. Токи в проводниках можно выровнять, выполнив плечи вибратора в виде трапеции (см. рис. 1.27, в).

мачты под углом 45° к горизонту. Зеркало отражает падающие на него волны перпендикулярно вверх на плоское зеркало, установленное на вершине мачты также под углом45°. Вторым зеркалом волны отражаются в нужном направлении. Коэффициент полезного действия передачи энергии в перископической антенне– порядка 50 %, что выше, чем если бы энергия подавалась наверх по волноводу.

Контрольные вопросы

1.Поясните принципы организации симплексной и дуплексной радиосвязи.

2.Как влияют Земля и ионосфера на распространение радиоволн?

3.Чем отличается распространение радиоволн различных видов?

4.Поясните общие принципы построения антенн.

5.Чем отличается природа возникновения замираний радиосигнала в диапазонах гектометровых и декаметровых волн?

6.Какие показатели характеризуют работу антенн?

7.Каковы особенности антенн километровых и гектометровых волн?

8.Какие требования предъявляются к антеннам декаметровых волн?

9.Каким образом формируется диаграмма направленности антенн декаметровых волн?

10.Каким образом работает антенна типа «волновой канал»?

11.Опишите принцип работы антенн ультракоротких волн.

Список литературы

1.Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. – М.: Радио и связь, 1983. – 376 с.

2.Гершензон Е.М., Полянина Г.Д., Соина Н.В. Радиотехника. – М.: Просвещение, 1986. – 319 с.

3.Дубровский В.А., Гордеев В.А. Радиотехника и антенны. – М.: Радио и связь, 1992. – 368 с.

4.Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. – М.:

Связь, 1978. – 288 с.

Глава 2. Передающие и приемные устройства систем радиосвязи и вещания

2.1. Радиопередающие устройства

Основные функциональные узлы радиопередатчика. Схема и конструкция радиопередатчика зависят от различных факторов: назначения, диапазона рабочих волн, мощности и т.д. Тем не менее можно выделить некоторые типичные блоки, которые с теми или иными вариациями имеются в большинстве передатчиков.

Структура передатчика (рис. 2.1) определяется его основными общими функциями, к которым относятся:

-получение высокочастотных колебаний требуемой частоты и мощности;

-модуляция высокочастотных колебаний передаваемым сигналом;

-фильтрация гармоник и прочих колебаний, частоты которых выходят за пределы необходимой полосы излучения и могут создать помехи другим радиостанциям;

-излучение колебаний через антенну.

Остановимся более подробно на требованиях к отдельным функциональным узлам радиопередатчика.

Рис. 2.1. Функциональная схема радиопередатчика

Генератор высокой частоты, часто называемый задающим или опорным генератором, служит для получения высокочастотных колебаний, частота которых соответствует высоким требованиям к точности и стабильности частоты радиопередатчиков.

Синтезатор преобразует частоту колебаний опорного генератора, которая обычно постоянна, в любую другую частоту, которая в данное время необходима для радиосвязи или вещания. Стабильность частоты при этом преобразовании не должна существенно ухудшаться. В отдельных случаях синтезатор частоты не нужен, например, если генератор непосредственно создает колебания нужной частоты. Однако с синтезатором легче обеспечить требуемую высокую точность и стабильность частоты, так как он, во-первых, работает на более низкой частоте, на которой легче обеспечить требуемую стабильность; во-вторых, он работает на фиксированной частоте. Кроме того, современные синтезаторы приспособлены для дистанционного или автоматического управления синтезируемой частотой, что облегчает общую автоматизацию передатчика.

Промежуточный усилитель высокой частоты, следующий за синтезатором, необходим по следующим причинам:

–благодаря промежуточному усилителю с достаточно большим коэффициентом усиления от опорного генератора и синтезатора не требуется значительной мощности;

–применение промежуточного усилителя между синтезатором и мощным усилителем ослабляет влияние на генератор и синтезатор возможных регулировок в мощных каскадах передатчика и в антенне.

Усилитель мощности (его называют генератором с внешним воз-

буждением) увеличивает мощность радиосигнала до уровня, определяемого требованиями системы радиосвязи. Главным требованием к усилителю мощности является обеспечение им высоких экономических показателей, в частности коэффициента полезного действия.

Выходная цепь служит для передачи усиленных колебаний в -ан

тенну, для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласования выхода мощного оконечного усилителя с антенной, т.е. для обеспечения условий максимальной передачи мощности.

Модулятор служит для модуляции несущих высокочастотных -ко лебаний передатчика передаваемым сигналом. Для этого модулятор воздействует в зависимости от особенностей передатчика и вида модуляции (амплитудная, частотная, однополосная и др.) на один или несколько блоков из числа обведенных пунктиром на рис. 2.1. Например, частотная модуляция может получаться в синтезаторе частоты либо (реже) в генераторе высокой частоты; амплитудная модуляция получается воздействием на мощный и промежуточный усилители.

Устройство электропитания обеспечивает подведение ко всем блокам токов и напряжений, необходимых для нормальной работы