1.6. Антенные устройства
Антенное устройство — один из основных элементов радиопередающей и радиоприемной радиостанций. По назначению антенны разделяются на передающие, приемные, а также комбинированные приемно-передающие.
Передающие антенны, преобразуют энергию токов высокой частоты передатчика в электромагнитную энергию и излучают эту энергию в окружающее пространство в виде радиоволн. Приемные антенны извлекают энергию электромагнитных волн из окружающего пространства и, преобразуя ее в энергию токов высокой частоты, передают на вход приемного устройства.
Антенны—обратимые преобразователи электромагнитной энергии, очень часто одну и ту же антенну используют как для передачи, так и для приема радиосигналов.
Исходя из характеристик излучения антенны подразделяются на антенны ненаправленного и направленного действия.
Антенна представляет собой открытый колебательный контур, имеющий собственную частоту (длину волны). Простейшая антенна — симметричный вибратор — изолированный с обоих концов проводник, питаемый от источника высокой частоты в центральной своей части (рис. 1.24). Он может быть получен из разомкнутой четвертьволновой линии при разведении ее концов на 180°. Известно, что в линии, разомкнутой на конце, в результате сложения падающей и отраженной волн устанавливается стоячая волна тока и напряжения. Расстояние вдоль линии между соседними нулевой амплитудой тока и нулевой амплитудой напряжения равно 1/4 длины волны. Исходя из этого для работы на собственной волне 0 длина 2l симметричного вибратора должна быть 2 l=0/2. Поэтому антенна, изображенная на рис. 1.24, называется полуволновым симметричным вибратором.
Рис. 1.24 Полуволновой симметричный вибратор
Симметричные антенны на судах применяются, как правило, в диапазоне ультракоротких волн. Питание симметричных антенн, т. е. подводка энергии от передатчика к антенне или соединение антенны с входом приемника, производится с помощью двухпроводной (фидерной) линии.
Вертикальная заземленная (штыревая антенна). При работе на более длинных волнах антенны типа «симметричный вибратор» практически непригодны, так как требуемые размеры антенны слишком велики и в судовых условиях их размещение встречает большие трудности.
По этой причине в диапазоне декаметровых и более длинных волн применяются заземленные, или несимметричные антенны. Один конец провода такой антенны изолируется от корпуса судна, а второй через элементы связи с выходом передатчика или входом приемника заземляется (соединяется с корпусом судна). Так как земля (корпус судна)—проводник электрического тока, то она заменяет собой вторую половину антенны (рис. 1.25).
Рис. 1.25 Заземленная антенна
Теперь вдоль заземленного провода антенны укладывается 1/4 волны тока и напряжения. Следовательно, собственная длина волны заземленной антенны
0 = 4 l
т. е. длина провода для устройства такой антенны должна быть в 2 раза меньше, чем для незаземленной. Но даже и в этом случае требуемая длина провода антенны не всегда может быть размещена на судне. Кроме того, одна и та же антенна используется обычно не на одной волне, а в определенном диапазоне волн или частот.
Передающие антенны при работе на волнах, отличающихся от собственной длины волны антенны, обычно настраиваются в резонанс на рабочую длину волны путем включения в антенну дополнительной индуктивности или емкости.
Если в антенну последовательно включить катушку индуктивности (рис. 1.26), то общая индуктивность антенного контура возрастает, и антенна оказывается настроенной на более длинную волну, чем собственная
Рис. 1.26 Управление длиной волны антенны
Когда последовательно в антенну включается конденсатор С, общая емкость антенны уменьшается и длина волны на которую настраивается антенна будет короче.
Действующая высота антенны. Из-за того, что ток в проводе антенны по ее длине неодинаков, при расчете излучаемой мощности или напряжения, создаваемого в антенне, при приеме радиосигналов четвертьволновую площадь тока заменяют равновеликим прямоугольником, основание которого равно току у основания антенны. Высота прямоугольника называется действующей высотой антенны hд.
Действующая высота вертикальной антенны меньше ее геометрической высоты l. Например, для вертикальной заземленной антенны, работающей на собственной волне (без включения удлинительной катушки или конденсатора), действующая высота
hд = 2l / = 0,64 l
Увеличение действующей высоты при данной геометрической высоте достигается применением дополнительного горизонтального провода (рис. 1.27).
Рис. 1.27. Действующая высота антенны:
а – вертикальный провод, б – вертикальный и горизонтальный провода
В этом случае ток у верхнего конца вертикальной части антенны будет больше нуля, его распределение вдоль вертикального провода антенны оказывается более равномерным и действующая высота антенны увеличивается. Кроме действующей высоты, наличие горизонтального провода увеличивает собственную длину волны антенны 0 за счет увеличения длины пути тока.
Вертикальный провод антенны, являющийся по-прежнему основной излучающей и принимающей частью антенны, присоединяется либо к концу горизонтального провода, образуя Г-образную антенну, либо к середине провода, образуя Т-образную антенну.
Если требуется иметь антенну сравнительно малой длины (антенны декаметровых волн, приемные антенны) или судно имеет одну, используемую для подвески антенны-мачту, применяют часто антенны наклонного типа. На малых судах при небольшом разносе между мачтами для увеличения собственной волны антенны увеличивают ее емкость, применяя многолучевые антенны.
Излучаемую антенной мощность Р можно представить как произведение квадрата действующего тока I2 у основания антенны на сопротивление R эквивалентное расходу энергии антенны на излучение, которое получило название сопротивления излучения:
Р = I2 R
Сопротивление излучения зависит от действующей высоты антенны и длины рабочей волны
R ==1600(hд /.)2
Таким образом, чем больше действующая высота антенны и короче длина волны, тем сопротивление излучения будет больше.
Мощность, подводимая к антенне от передатчика, расходуется не только на излучение в окружающее пространство, некоторая часть ее затрачивается на потери в проводах антенны, морской воде, в корпусе судна, в различных проводниках, окружающих антенну за счет наводимых в них токов высокой частоты. Особенно растут потери в металлических частях судна или в такелаже, если они оказываются настроенными или близкими к настройке в резонанс.
Полное сопротивление антенны складывается из сопротивления излучения и сопротивления Rп потерь. Мощность, подводимая к антенне, Ра = I2(R + Rп ). Эффективность работы антенны определяется ее КПД.
Следовательно, увеличение КПД антенны достигается увеличением сопротивления излучения и уменьшением сопротивления потерь.
Приемные антенны. Если на антенну воздействует электромагнитное поле то в ней наводится переменная ЭДС, частота которой равна частоте изменения э/м поля. Наводимая эдс будет зависеть от напряженности поля и действующей высоты антенны. Основное требование предъявляемое к антеннам – достаточная действующая высота. Э/м волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно, т.е. антенна имеет свойства направленного излучения, которые характеризуются коэффициентом направленного действия (кнп) и диаграммой (характеристикой) направленности. Кнп показывает, во сколько раз мощность в направлении максимального излучения больше среднего значения мощности, излучаемой по всем направлениям.
Распределение в пространстве эмп или мощности создаваемых антенной выражается диаграммой направленности антенны которая характеризуется графиком изменения мощности или напряженности поля создаваемых антенной в разных направлениях, но на одинаковом расстоянии от нее. Этот график может быть построен в прямоугольных или в полярных координатах. Диаграмма направленности симметричного вибратора в горизонтальной и вертикальной плоскостях построенная в полярных координатах имеет форму тороида вращения (рис.1.28)
Рис 1.28. Диаграмма направленности симметричного вибратора
Из этой диаграммы следует, что в направлении оси симметричного вибратора излучение энергии и соответственно прием сигналов не происходят. В направлениях перпендикулярных к оси вибратора излучение и прием сигналов будут максимальными для любых азимутальных направлений. Таким образом, вертикально расположенный симметричный вибратор в азимутальной плоскости направленностью не обладает. У наклонных Т-образных и Г-образных антенн направленность в азимутальной плоскости выражена очень слабо (практически эти антенны считаются ненаправленными). Направленными (остронаправленными) являются антенны судовых РЛС, антенны спутниковой радиосвязи, рамочные антенны радиопеленгаторов.
Распространение радиоволн
Радиоволны представляют собой э/м колебания, которые характеризуются напряженностью электрического и магнитного полей.
Электромагнитное поле описывается основными уравнениями Д. Максвелла, который впервые математически обосновал гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле, а переменное магнитное поле возбуждает переменное электрическое поле.
Возбуждение переменными электрическими и магнитными полями новых электрических и магнитных полей в соседних областях пространства — основа распространения этих полей в пространстве, т. е. образования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света с = 3- 10s km-c-1.
В той или иной точке пространства электромагнитное поле численно определяется амплитудным (или действующим) значением напряженности электрической составляющей Е в микровольтах на метр (мкВ/м).
Энергия электромагнитных волн, излучаемая передающей антенной, распространяется в пространстве двумя путями: непосредственно вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к поверхности земли (пространственные волны).
Поверхностные радиоволны распространяются на большие расстояния за счет дифракции, т. е. способности радиоволн огибать кривизну земли. Явление дифракции наблюдается тогда, когда высота препятствия меньше или соизмерима с длиной волны. Дифракция проявляется тем больше, чем больше длина волны по сравнению с линейными размерами поверхности, на которую падают радиоволны.
Энергия пространственных волн достигает ионизированных слоев атмосферы— ионосферы, отражается от нее и вновь попадает на поверхность земли.
Можно считать, что ионосфера состоит из четырех максимумов ионизации, называемых условно слоями и обозначаемых D; E; F1; F2 (рис. 1.29).
Рис. 1.29 Распределение слоев ионосферы
Наиболее близко от земли (на высоте 50—60 км) находится слой D. существующий только днем, имеющий низкую концентрацию электронов не более 103 эл/см3. Ночью слой D распадается вследствие рекомбинации электронов и ионов. Над слоем D па высоте 90—130 км расположен слой Е с концентрацией электронов от 104 эл/см3 в зимнее время до 105эл/см3 в летнее время.
Над слоем Е находится слой F, который в летнее время расщепляется на слой F1 с максимумом ионизации на высоте около 200—300 км и слой F2 с максимумом ионизации на высоте 350—400 км. Ионизация различна в летнее и зимнее время и изменяется в течение суток.
В ионизированном воздухе радиоволны имеют меньшую скорость распространения, которая уменьшается с увеличением концентрации электронов.
Ввиду того, что степень ионизации атмосферы изменяется с высотой, ионосфера, но отношению к распространяющимся в ней радиоволнам ведет себя как неоднородная среда. Благодаря неоднородности изменяется направление распространения радиоволн, и энергия радиоволн поглощается. Попадающий в ионосферу луч искривляется и при определенных условиях испытывает полное внутреннее отражение, вновь попадая на поверхность земли. Чем ниже частота и меньше угол наклона луча и чем больше степень ионизации, тем больше преломление, т. е. тем сильнее искривляется путь радиоволн, попавших в ионосферу.
Радиоволны будут отражаться только в том случае, если частота не будет превышать некоторого определенного значения, называемого критической частотой fкр. Волны, частота которых выше критической, не отражаются от ионосферы, а пронизывают этот слой (рис. 1.30). Как показали исследования, радиоволны короче 10 м (частота выше 30 МГц) не способны отражаться от ионосферы даже в дневные часы, когда ионизация атмосферы максимальна.
Рис. 1.30 Отражение от ионосферы различных частот
В связи с тем, что частота электромагнитного поля (длина волны) влияет
на особенность распространения радиоволн, методы генерации, приема и усиления радиосигналов, спектр радиоволн (частот) в соответствии с международной регламентацией условно разделяют на 9 диапазонов, обозначаемых номерами от 4 до 12 (табл. 1.1).
Таблица 1.1.
Мириаметровые волны (СДВ) распространяются аналогично распространению энергии в сферическом (природном) волноводе, образованном поверхностью земли и нижним слоем ионосферы. Важные свойства СДВ — незначительное ослабление энергии и повышенная устойчивость амплитуды и фазы поля, как днем, так и ночью. Километровые волны (ДВ) распространяются с малыми потерями энергии в почве и с высокой способностью огибать поверхность земли. В связи с этим ДВ действуют на значительном расстоянии от передатчика. Частоты диапазона ДВ значительно меньше критических частот даже для более низких слоев ионосферы, поэтому ДВ как днем, так и ночью легко от нее отражаются. Характерная особенность ДВ — постоянство условий распространения. Все периодические и нерегулярные процессы в ионосфере (одиннадцатилетний период солнечной активности, ионосферные возмущения, метеорологические условия) существенного влияния на процессы распространения ДВ не оказывают. Диапазон ДВ используется в основном для целей радиосвязи и радиовещания.
Гектометровые волны (СВ) распространяются с заметным поглощением энергии в земле и в ионосфере. Поэтому дальность действия волн радиостанций гектометровых волн в сильной степени зависит от времени суток и времени года. При приеме сигналов СВ диапазона в дневное время на расстоянии 500—1000 км пространственных волн почти не обнаруживается. Это объясняется сильным поглощением энергии в слое D. В ночное время энергия отражается от слоя Е имеющего лучшую проводимость, поэтому сигналы принимают как за счет поверхностных, так и пространственных волн. Дальность действия радиостанций увеличивается.
На условия распространения СВ влияет также время года. Последнее обстоятельство объясняется тем что, во-первых, поглощение СВ при отражении от ионосферы в зимнее время уменьшается, так как уменьшается ионизация нижних слоев ионосферы, и, во-вторых, в летние месяцы заметно возрастает влияние атмосферных помех. Остальные факторы — одиннадцатилетний период солнечной активности, ионосферные возмущения и пр.—заметного влияния на распространение СВ не оказывают.
Диапазон СВ используется в радиовещании, морской радиосвязи, радиомаячной службе, радионавигации.
Декаметровые волны (KB) распространяются так же, как волны ДВ и СВ, с помощью поверхностного и пространственного лучей. Энергия поверхностного луча быстро затухает из-за больших потерь в подстилающей поверхности (земле). Поэтому дальность действия поверхностного луча KB находится в пределах десятков километров.
Пространственные волны диапазона KB в отличие от ДВ и СВ отражаются от слоя F2 с большей концентрацией электронов, проходя в дневное время D и Е, а в ночное время слой Е. Таким образом, в слое Е радиоволны поглощаются, а в слое F2 — отражаются.
На условия распространения KB большое влияние оказывает время суток, время года, одиннадцатилетний период солнечной активности и географическое расположение линий радиосвязи.
Наиболее короткие волны (10—25 м) пригодны для связи в дневное время, когда ионизация слоя F2 максимальна и эти волны будут от него отражаться.
Работать на волнах 10—25 м в ночное время не рекомендуется, так как из-за уменьшения ионизации слоя F2 после захода солнца критическая частота понижается и волны 10—25 м могут не отражаться. В ночное время необходимо переходить на работу более длинными волнами 35—70 м. В связи с изложенным волны 10—25 м получили название дневных, а волны 35—70 м — ночных.
Особенность распространения KB зависит также от возникновения особых явлений, к которым относятся замирание радиосигналов и наличие зон молчания; радиосвязь может также нарушиться из-за возмущений в ионосфере.
Кроме перечисленных явлений, наблюдается изменение слышимости, а зачастую и пропадание приема в связи с возникновением магнитных бурь и ионосферных возмущений. Основная причина нарушения связи — процессы, происходящие в слое F2 во время ионосферных возмущений. Например, слой F2 может оказаться полностью разрушенным, и тогда KB перестают отражаться от ионосферы.
Наибольшее число ионосферных возмущений происходит вблизи магнитных полюсов.
По мере удаления от магнитных полюсов интенсивность ионосферных возмущений ослабляется.
Декаметровые волны широко используются в радиовещании и в радиосвязи на больших расстояниях, которая обеспечивается при сравнительно небольших мощностях радиопередатчиков.
Ультракороткие волны (УКВ) распространяются в нижних слоях атмосферы— тропосфере только поверхностным лучом почти прямолинейно. Волны короче 10 м ионосферой не отражаются. За пределами прямой видимости напряженность поля УКВ заметно уменьшается, так как дифракция в этом диапазоне сказывается очень слабо.
Основные преимущества УКВ (а также дециметровых и сантиметровых волн) —возможность одновременной работы без взаимных помех большого количества радиостанций; отсутствие нарушений связи во время ионосферных возмущений, что обеспечивает надежную радиосвязь в сложных условиях; отсутствие атмосферных помех, кроме помех, вызываемых космическими шумами и шумами солнца; возможность создания остронаправленных антенн при сравнительно малых их размерах.
Диапазон метровых, дециметровых, сантиметровых радиоволн широко используется в радиолокации, телевидении, спутниковой радиосвязи и радионавигации, рейдовой и внутри-портовой связи.