Садомовский А.С. Приемо-передающие радиоустройства и системы связи (2007)

Если ввёртывать винт так, чтобы его головка вращалась по направлению от вектора Е к вектору Н , то острие винта укажет направление распространение электромагнитного поля, т. е. его энергии, которая характеризуется вектором Пойнтинга П (рис.1.3).

Е

П

Рис. 1.3

Вектор Пойнтинга П можно представить как векторное произведение векторов Е и Н .

Процесс возбуждения в пространстве электромагнитной волны переменным током называется электромагнитным излучением. Физические явления возбуждения и распространения электромагнитных волн обосновал Д. Максвелл в виде двух фундаментальных положений:

всякое изменение во времени магнитного поля вызывает появление вихревого (т. е. замкнутого) электрического поля;

всякое изменение во времени электрического поля приводит к появлению вихревого магнитного поля.

Иными словами, в природе существуют только переменное электромагнитное поле. Основные положения теории электромагнитного поля Д. Максвелл выразил четырьмя связанными между собой уравнениями электродинамики (1.5).

1)rotH = δ ;

3)divД = ρ ;

4)divB = 0 .

Плотность потока мощности, т. е. мощность, проходящая через единицу площади поверхности сферы, Вт/м 2 , равна

13

где Pи – мощность излучения; R − радиус сферы.

Плотность потока мощности через напряжённость электрической составляющей поля Еu выражается

Учтя (1.6) и (1.7), найдём напряжённость электрического поля в точке, удалённой от источника на расстояние R:

1.6 Антенны систем радиосвязи

Простейшим излучателем электромагнитного поля (ЭМП) может служить короткий отрезок электрического проводника, физическая длина которого L много меньше длины излучаемой волны λ. В этом случае модуль линейной плотности электрического тока I будет распределён по длине излучателя равномерно. Такой излучатель называется диполем Герца, представляющим два небольших металлических шара, соединённых отрезком проводника.

В разрез проводника включается источник переменного тока (рис.1.4).

к источнику переменного тока

Рис.1.4

Наличие шаров на концах проводника существенно уменьшает необходимую длину диполя Герца.

Следует иметь в виду, энергия ЭМП, возникающая в проводнике, существенно зависит от его конфигурации и соотношения размеров проводника и длины волны электромагнитного поля.

Устройства, предназначенные для излучения и приёма электромагнитных колебаний, называются антеннами. Простейшую излучающую антенну

14

(рис.1.5) можно сделать из отрезка электрического проводника размером в половину длины излучаемой (принимаемой) волны, в середину которого включён генератор переменного тока.

Рис.1.5 Рис.1.6

Такую антенну называют полуволновым вибратором.

Наглядное представление о характере излучения даёт диаграмма направленности (ДН), отражающая зависимость плотности потока мощности от направления в пространстве. ДН вертикально расположенного полуволнового вибратора представлена на рис.1.6. В горизонтальной плоскости ДН имеет вид окружности, в вертикальной вид − вытянутых восьмёрок.

Диаграмму направленности полуволнового вибратора (1) можно улучшить, если в направлении, обратном излучению, установить рефлектор (2) на удалении от активного вибратора менее λ/4 и в направлении излучения

к передатчику

(приёмнику)

Рис.1.7

Антенну такого типа называют «волновой канал». Она широко используется в системах связи метрового диапазона волн, как передающая, так и приёмная.

15

Основные характеристики антенн

Угол раскрыва − диаграмма направленности антенны по уровню половинной мощности α (рис.1.7).

Коэффициент направленного действия КНД показывает, во сколько раз средняя мощность, излучаемая (принимаемая) направленной антенной, в заданном угле её диаграммы направленности больше средней мощности в том же угле ненаправленной антенны, работающей от того же источника.

Коэффициент усиления антенны − GА характеризует усилительные свойства антенны с учётом потерь при излучении. Он определяется как произведение КНД на коэффициент полезного действия антенны.

Коэффициент усиления антенны выражается в логарифмических величинах децибелах (дБ).

В диапазоне километровых волн габариты даже одновибраторных антенн оказываются столь большими, что возникают существенные трудности их реализации. Задача несколько упрощается, если в качестве второго проводника вибратора использовать проводящую землю и получать четвертьволновый заземлённый вибратор (рис.1.8).

Для создания остронаправленного излучения в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн широко используют антенны с параболическим отражателем.

Излучатель такой антенны располагается в фокусе параболического зеркала. В этом случае отражатель концентрирует отражённые лучи в узкий пучок (рис.1.9).

16

Чем меньше длина волны и больше диаметр зеркала, тем уже диаграмма направленности антенны и больше коэффициент усиления.

В последние годы, и в первую очередь в радиолокационных системах,

широко применяются фазированные антенные решётки – ФАР. Такие антенны представляют собой систему определённым образом расположенных

в одной плоскости элементарных излучателей, питаемых через индивидуальные фазовращатели одним источником ВЧ колебаний (рис.1.10) или системой когерентных (сфазированных) источников. Электромагнитные поля, создаваемые каждым излучателем, суммируясь в пространстве вблизи антенны, образуют единый электромагнитный фронт волны с узкой диаграммой направленности.

К важнейшему свойству ФАР относится возможность электронным способом с помощью компьютера и фазовращателей практически безынерционно изменять положение диаграммы направленности антенны в пространстве, что способствует быстрому нахождению целей в радиолокационном пространстве.

ДН

Компьютер Передатчик

Рис. 1.10

Для создания остронаправленных антенн количество излучателей достигает 10 000. Поэтому фазировка их сложна и осуществляется с помощью компьютера, и стоимость ФАР очень высока.

17

Построение ФАР с помощью фазированных источников позволяет источникам малой мощности получать в пространстве ЭМП большой мощности. Это очень важно в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн, где создание источников большой мощности затруднено.

В последние годы ФАР применяют в мобильной и спутниковой связи в виде так называемых интеллектуальных антенн.

1.7 Элементы теории распространения радиоволн

На распространение радиоволн существенное влияние оказывает земная поверхность и атмосфера.

Земная поверхность представляет собой среду с различными электрическими параметрами (электропроводностью, диэлектрической и магнитной проницаемостью). Вследствие этого при распространении радиоволны поглощаются земной поверхностью и отражаются от неё. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от земли,

называются земными, или поверхностными волнами.

Атмосферу схематично делят на три слоя: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера − нижний слой атмосферы. Простирается до высот 10 − 20 км.

Стратосфера − слой на высоте 20 − 50 км. Плотность газов значительно меньше, чем в тропосфере. Электрические свойства стратосферы однородны, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно без существенных потерь.

Ионосфера − слой на высоте 50 − 20000 км. Под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей Солнца в ионосфере молекулы воздуха ионизируются, образуя свободные электроны. Чем больше концентрация свободных электронов Nэ, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Nэ меняется по высоте. На нижних слоях она мала, т. к. недостаточно энергии ионизации. На больших высотах также мала вследствие малой плотности газа в атмосфере.

Nэ максимальна на высотах 300 − 400 км. По своим свойствам выделяют четыре слоя: Д, Е, F1, F2.

Слой Д (высота 60 − 90 км). Существует только в дневные часы, когда активность Солнца велика.

Слой Е (высота 100 − 120 км). Концентрация Nэ изменяется со временем года и суток. Днём опускается, ночью поднимается.

Слои F1 F2 (высота 120 − 450 км) Они имеют наибольшую концентрацию Nэ.

18

Таким образом, указанные слои имеют различную концентрацию Nэ, и радиоволны, переходя из среды с одной концентрацией в среду с другой концентрацией, преломляются и при определённых условиях могут отразится от ионосферы и вернутся на Землю.

Степень преломления лучей ЭМВ в слоях ионосферы зависит от угла падения ЭМВ γ на слои ионосферы и от частоты излучения.

Угол падения, при котором ЭМВ не проходит через ионосферу и распространяется вдоль неё, называется критическим (рис.1.11). Он

Если γ<γкр, ЭМВ проникает через ионосферу в космос.

Если γ>γкр, ЭМВ отражается от ионосферы и возвращается на Землю.

Ионосфера

γк<γ γк γк>γ

Земля Рис.1.11

Из (1.10) следует, что чем выше частота ЭМВ, тем меньше степень преломления. УКВ волны вообще не преломляются в ионосфере и уходят в космос. Частота, при которой луч, направленный с Земли вертикально γкр=0, ещё может вернуться на Землю, называется критической. Из (1.10) при γкр=0 :

Для максимальной концентрации Nэ f кр составляет единицы МГц. При наклонном падении отражающие свойства ионосферы более существенны. Частота ЭМВ, излучённой по касательной к горизонту, в 3 − 5 раз выше частоты f кр. Такая частота называется максимально применимой частотой МПЧ. ЭМВ с частотами выше МПЧ от ионосферы не отражаются. ЭМВ, распространяющиеся путём отражения от ионосферы, называются

пространственными волнами.

19