Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая электродинамика. Антенны, распространение радиоволн. Учебно-методическое пособие
.pdf
5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
5.1. РАДИОВОЛНЫ В ПРИРОДНЫХ
УСЛОВИЯХ
Радиоволнами (РВ) в широком смысле этого слова можно называть
электромагнитные волны в радиотехнике, в том числе в аппаратуре
(в частности, волноводного типа) и различных линиях передачи. Независимо от характера аппаратуры сущность систем связи определяется
распространением электромагнитных волн (радиоволн) в природных
условиях.
РВ возбуждаются передающими антеннами в относительной бли-
Земли, исключение составляет дальняя космическая радиосвязь.
зости
Существенный фактор – наличие сферической границы двух сред:
Земля – околоземное пространство. Иногда эту границу рассматривают
как плоскость. Несущая частота РВ имеет большое значение (так как
условия распространения сильно зависят от нее) для свойств и возможностей систем связи. РВ разделены на диапазоны, каждый из которых
имеет свои особенности распространения, отражения и излучения.
В соответствии с международным регламентом радиосвязи, установленным МККР (Международный консультативный комитет по радио), приведены сведения о классификации радиоволн (см. таблицу).
Рассмотрим каждый частотный диапазон более подробно.
Мириаметровые волны проникают в глубь почвы и воды. Они
1.
практически не поглощаются в Земле и огибают её, а также отражаются от ионосферы и днем и ночью. Обычные объекты такие волны огибают, не отражаясь. Антенны, работающие с мириаметровыми волнами, очень громоздки. Ширина полосы частот диапазона узкая, 27 кГц.
В связи
гации, радиосейсмографной связи и для передачи метеосводок. В силу
маленькой полосы частот передача большого количества информации
невозможна.
с этим данный частотный диапазон используется в радионави-
41
Наименование
вида радиоволн
диапазона
Устаревшее
наименование
Мириаметровые
волны, СДВ
радиочастот
Сверхдлинные
Метровые
УКВ Сантиметровые
УКВ Дециметровые
волны (УКВ)
Ультракороткие
УКВ Миллиметровые
42
диапазона
радиочастот
Очень низкие
Наименование
Классификация радиоволн по частотному диапазону
Диапазон
радиочастот длин волн
№
п/п
частоты, ОНЧ
1 3…30 кГц 10…100 км
2 30…300 кГц 1…10 км Низкие частоты, НЧ Длинные волны, ДВ Километровые
3 0,3…3 МГц 0,1…1км Средние частоты, СЧ Средние волны Гектометровые
42
частоты, ОВЧ
Очень высокие
Ультравысокие ча-
4 3…30 МГц 10…100 м Высокие волны, ВЧ Короткие волны Декаметровые
5 30…300 МГЦ 1…10 м
6 0,3…3 ГГц 0,1…1 м
ты, СВЧ
стоты, УВЧ
Сверхвысокие часто-
7 3…30 ГГц 1…10 см
стоты, КВЧ
Крайне высокие ча-
8 30…300 ГГц 0,1…1 см
2. Километровые волны мало поглощаются в Земле и частично
огибают ее, они отражаются от ионосферы ночью, иногда днем, обычные объекты огибают без отражения. Антенны в данном случае также
громоздки. Полоса частот составляет 270 кГц.
Такие волны находят применение в радиотелеграфной и радиотелефонной связи, а также в радиовещании и радионавигации.
3.
Гектометровые волны поглощаются в Земле, интенсивно отра-
жаются от ионосферы ночью, огибают обычные объекты, не отражаясь. Антенны средних размеров. Полоса частот 2,7 МГц.
В данном диапазоне применяют радиотехнические системы, аналогичные предыдущему диапазону длин волн.
Декаметровые волны сильно поглощаются в Земле. Избиратель-
4.
но отражаются от ионосферы. Отражаются от обычных объектов. Антенны в таких случаях умеренных размеров. Полоса частот составляет
27 МГц.
Широкое применение они находят в радиолюбительской и космической связи.
5.
Метровые волны полностью поглощаются в Земле. Такие волны
не отражаются от ионосферы, а напрямую проходят в космос. Распространяются в пределах прямой видимости. Интенсивно отражаются от
обычных объектов. Антенны небольших размеров. Легко достигается
направленность излучения и приема. Частотный диапазон 270 МГц.
Область применения метровых волн: радиовещание, телевещание,
космическая радиосвязь, радиолокация.
6.
Дециметровые волны (ДМ) распространяются только в пределах
прямой видимости. ДМ-волны не отражаются от ионосферы. От обычных объектов отражаются интенсивно. Антенны – компактные. Легко
достижимая направленность антенны. Диапазон частот 2,7 ГГц.
Применяются дециметровые волны в телевещании, радиолокации,
сотовой и телефонной связи, а также в космических радиосистемах.
7.
Сантиметровые волны распространяются в пределах прямой
видимости. Избирательно поглощаются в атмосфере. Интенсивно отражаются от обычных объектов. Просто достижимая высокая направленность антенн. Полоса частот 27 ГГц.
Область применения: радиолокация, радиорелейная связь, радионавигация, спутниковое телевидение.
8.
Миллиметровые волны сильно поглощаются в атмосферных об-
разованиях. Просто достижимая сверхнаправленность антенны. Полоса частот 270 ГГц.
Применяются сантиметровые волны в радиолокации и военной
связи.
43
5.2. РОЛЬ АНТЕНН
A2A1P2P
R
R
Приемник и передатчик соединены «внеаппаратурной» линией передачи – радиолинией (РЛ). При рассмотрении РЛ необходимо учитывать свойства антенн. В простейшем случае приемную и передающую
антенны считают точечными объектами, расположенными в свободном пространстве, не содержащем никаких иных материальных тел.
Это так называемая «идеальная радиолиния» (рис. 5.1). Пусть в одно-
родной изотропной среде
без поглощения из точки
A
происходит
1
электромагнитное излучение.
1
Передающая антенна (
R
Рис. 5.1. Радиолиния
A
) – радиотехническое устройство, служа-
1
П
щее для преобразования направляемых РВ, радиосигналов, распространяющихся в линиях передачи в свободно распространяющиеся РВ.
Для приемных антенн (
A
) все в точности наоборот.
2
Если передающая антенна излучает равномерно во всех направлениях (т. е. является изотропным излучателем), то создаваемая ей на
расстоянии
где П()
плотность потока мощности определяется как
PP
11
R
S
с2ф
4
, Вт/м ,П()
2
R
– вектор Пойнтинга.
44
В действительности антенны обладают направленностью, что учи-
R
R
R
p
тывают вводом КНД (
D
). Тогда плотность потока мощности для
направленных антенн:
(, )
D
П(,, )
RP
1
1
4
.
2
Плоская волна падает на приемную антенну, характеризующуюся
своей эффективной поверхностью
S .
эф
2
Тогда принимаемая антенной мощность равна:
DS
PP
21
1 эф
4
2
,
2
44SS
эф геом
22
D
2
22
.
Получили уравнение радиолокации в одном направлении
12
(4 )
2
. (5.1)
2
PP
21
DD
Для учета потерь в антенне и фидерных трактах добавляется КПД
по первому и второму каналу.
Коэффициент передачи радиолинии по мощности:
(4 )
R
2
2
. (5.2)
12
PDD
212
K
P
1
Данная формула характеризует идеальную радиолинию и пригодна
в условиях прямой видимости антенн, а также в ситуации «космос–
космос» или «Земля–космос». На практике используют следующую
формулу коэффициента передачи по мощности:
(4 )
R
2
2
2
()
, (5.3)
где
PDD
KFR
2
()FR
– множитель ослабления по полю (для вектора Е). Таким
212
p12
P
1
образом, учитываются потери в различных радиолиниях.
45
5.3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
A
C B
r
В УСЛОВИЯХ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ
При значительных расстояниях от передатчика необходимо учитывать кривизну Земли. Кривизна Земли ограничивает дальность радиосвязи прямыми лучами при заданных высотах передающей и приемной
антенн.
Максимальное расстояние для радиосвязи прямым лучом называется расстоянием прямой видимости. На рис. 5.2 расстояние прямой
видимости обозначено отрезком АВ, касательным к поверхности Земли
в точке С
.
Определим расстояния прямой видимости. Как видно из рис. 5.2:
BACCB
() ( ) 2 2ah a ah a ah h ah h ,
а – радиус Земли;
где
Так как
22 22 2 2
121122
h
h
и
1
A
h
1
Рис. 5.2. Определение расстояния
h
h
и
1
а, то окончательно:
2
– высоты установки антенн.
2
r
10
0
a
α
прямой видимости.
2AB a h h. (5.4)
Учитывая, что средний радиус Земли
можно записать в виде
3570AB h h[м] , (5.5)
r
20
β
12
12
h
2
а = 6370 км, формулу (5.4)
h
h
и
где
1
– измеряются в метрах.
2
46
Из формулы (5.5) следует, что расстояние прямой видимости при
существующих на практике высотах расположения антенн (
h составля-
ет десятки и сотни метров) не превышает сотни километров.
ЗАДАЧИ
1. Найти требуемую мощность передатчика, если задано:
12
10P Вт,
2
2.
Рассчитать КНД передающей антенны, если мощность передат-
3
чика
10P Вт, расстояние между антеннами
1
ботает на частоте 8
ется ЗПА с радиусом
ника
10P Вт. Ослаблением пренебречь.
2
3.
Рассчитать дальность радиолинии, работающей в условиях пря-
мой видимости
приемника
50R
2в
Ом,
Определить высоту антенных опор при условии
4.
40D
дБ,
1
f
ГГц. В качестве приемной антенны использу-
ЗПА
9
0F
дБ на частоте 10f
6
10U
В, волновое сопротивление фидера приемника
2min
DD
12
36
40D
дБ,
2
1R
м, КИПР 0,6. Чувствительность прием-
20F
дБ,
10R
км,
5R
км. Антенна ра-
ГГц, если чувствительность
дБ.
hh
12
обеспечения в идеальных условиях дальности действия 100 км.
5.
Определить высоту маяка, обеспечивающего прямую видимость
1h
с морскими объектами высотой
6.
Определить коэффициент передачи РЛ, работающей на частоте
f ГГц с параметрами
1
12
м на расстоянии 20 км.
2
26DD
дБ, потерями пренебречь.
47
3
см.
для
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кубанов В.П. Линейные симметричные электрические вибраторы в
свободном пространстве / В.П. Кубанов. – Самара: ПГУТИ, 2011. –52 с.
2. Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны: учебное пособие. В 2 ч. /
Г.Г. Гошин. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – Часть 2. Антенны. – 130 с.
3. Марков Г.Т. Антенны: учебник для
альностей вузов / Г.Т. Марков, Д.М. Сазанов. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.:
Энергия, 1975. – 528 с., ил.
4. Ерохин Г.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев и др.;
под ред. Г.А. Ерохина. – 2-е изд. – Москва: Горячая линия-Телеком, 2004
5. Никольский В.В. Электродинамика и распределение радиоволн: учеб.
пособие / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. – Изд. 5-е. – М.: Книжный дом
«Либрокон», 2011. – 544 с.
студентов радиотехнических специ-
48
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................... 3
1. Характеристики и параметры антенн ........................................................... 4
1.1. Диаграмма направленности .......................................................................... 4
1.2. Входное сопротивление ................................................................................ 7
1.3. Коэффициент направленного действия ....................................................... 7
1.4. Коэффициент использования поверхности раскрыва ................................. 8
1.5. Коэффициент полезного действия ............................................................... 9
1.6. Коэффициент усиления ................................................................................. 9
1.7. Частотная характеристика ............................................................................. 9
1.8. Электрическая прочность ............................................................................ 10
1.9. Помехозащищенность антенны .................................................................. 10
Задачи ...................................................................................................................... 11
2. Дипольные антенны ........................................................................................ 12
2.1. Симметричный вибратор ............................................................................. 12
2.2. Коэффициент направленного действия ..................................................... 18
2.3. Способы питания вибраторов ..................................................................... 19
2.3. Несимметричный вибратор и способы его
Задачи ...................................................................................................................... 27
3. Зеркально-параболические антенны .......................................................... 28
Коэффициенты усиления и направленного действия
параболической антенны .................................................................................... 30
Задачи ...................................................................................................................... 33
питания ................................ 24
4. Рупорные антенны ........................................................................................... 35
Задачи ...................................................................................................................... 39
49
5. Распространение радиоволн .......................................................................... 41
5.1. Радиоволны в природных условиях .......................................................... 41
5.2. Роль антенн ................................................................................................... 44
5.3. Распространение радиоволн в условиях прямой видимости .................. 46
Задачи ...................................................................................................................... 47
Библиографический список .................................................................................. 48
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]