Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

⋅

(1.5)

Это соотношение можно толковать так:

движение электрического поля в направлении, нормальном его силовым ли-

ниям, вызывает появление магнитного поля, вектор

→

которого нормален

вектору

→

и вектору скорости

→

. Эта ситуация показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.3 - Взаимное расположение векторов электрического поля, создаваемого

движущимся магнитным полем

Рисунок 1.4 - К пояснению создания магнитного поля движущимся электрическим полем

Следует обратить внимание на то, что взаимное расположение векто-

ров

→

одинаково (рис. 1.3 и 1.4).

Не могут ли электрическое и магнитное поля, образованные в некото-

рой точке пространства токами в проводниках, существовать и распростра-

няться в нем, взаимно поддерживая друг друга? Чтобы это произошло необ-

ходимо, чтобы напряженность поля Е в уравнении (1.2) была равна напря-

женности поля Е в уравнении (1.5).

Тогда

⋅

⋅= Е

или

με

⋅

Совокупность взаимосвязанных движущихся электрического и маг-

нитного полей называется электромагнитным полем излучения. Это означа-

ет, что поле излучения, образованное в некоторой области пространства, мо-

жет распространяться со скоростью, которая совпадает со скоростью света в

рассматриваемой среде.

Электромагнитное поле излучения было обнаружено вокруг отрезка

проводника с изменяющимся в нем током - так называемого диполя. Картина

электромагнитного поля (в сечении плоскости рисунка), образованного ди-

полем, в фиксированный момент времени показана на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Мгновенная картина ЭМП вокруг диполя (в верхнем полупространстве)

Здесь изображены силовые линии электрического поля

→

. Силовые

линии магнитного поля

→

лежат в плоскостях, перпендикулярных оси дипо-

ля. Пересечения силовых линий полей

→

отмечены кружками с точками

(если вектор

→

направлен на читателя) и крестиками (если он направлен от

читателя). Предполагается, что ток в диполе изменяется периодически по си-

нусоидальному закону. При этом в пространстве образуется движущееся

электромагнитное поле с периодическим повторением во времени значений

напряженности электрического и магнитного полей в фиксированной точке

пространства. На определенном расстоянии

, называемом длиной волны,

фазы колебаний поля одинаковы. С длиной волны связана частота электро-

магнитных колебаний: f = c/

, где с - скорость света в среде распространения

электромагнитной волны.

Процессы, связанные с распространением электромагнитных волн

описываются теорией, созданной английским физиком Максвеллом. Он вы-

вел уравнения, получившие в честь его уравнения Максвелла. Если выразить

на понятном нам языке, то их формулировка будет следующая.

Первое уравнение (нумерация условная) гласит, что электрическое

поле

образуется зарядами и его силовые линии начинаются и кончаются на

зарядах.

Второе уравнение описывает магнитные силовые линии: они не име-

ют ни начала, ни конца, поскольку свободных магнитных зарядов нет. Это

кольцеобразные замкнутые линии.

Третье уравнение - общий случай закона электромагнитной индукции

Фарадея: любое изменение магнитного поля генерирует вихревое электриче-

ское поле.

Четвертое уравнение говорит о том, что меняющееся во времени элек-

трическое поле порождает магнитное поле.

Подробно основы формирования электромагнитных полей изучаются

в рамках теории электромагнитного поля.

Распространяясь, поле излучения уносит энергию, восполняемую ис-

точником

тока, питающего диполь. Соответствующая ей мощность Р (энер-

гия, переносимая полем за секунду) называется мощностью излучения. Если

бы мощность P излучалась равномерно во всех направлениях, то плотность

потока мощности (мощность, проходящая через единицу поверхности сферы,

охватывающей излучатель) была равна

⋅

(1.6)

где r - радиус сферы.

Анализ показывает, что плотность потока мощности электромагнит-

ного излучения пропорциональна квадрату напряженности электрического

поля:

)120(

⋅

(1.7)

Из (1.6) и (1.7) получаем что

rРЕ /30 ⋅=

(1.8)

Если Р выразить в ваттах, r - в метрах, то Е имеет размерность вольт

на метр (В/м).

Важнейшей особенностью поля излучения является его убывание об-

ратно пропорционально лишь первой степени расстояния от источника излу-

чения (напомним, что электростатические поля убывают пропорционально

второй степени расстояния). Именно эта зависимость делает передачу сооб

щений на большие расстояния с помощью электромагнитных волн практиче-

ски выполнимой при реально достижимых мощностях излучения Р.

Заметим, что предположение о равномерном излучении мощности Р

во всех направлениях весьма условно. Теория и эксперимент показывают, что

короткий диполь, длина которого

, в направлении радиус-вектора

создает напряженность поля

;sin

sin

(1.9)

где I - ток в диполе.

Векторы

→

(рисунок 1.6) лежат в плоскости, нормальной (пер-

пендикулярной) радиус-вектору

, причем вектор

→

лежит в плоскости,

проходящей через диполь и вектор

. Положение точки наблюдения A опре-

деляется углами θ, ϕ и расстоянием r (это справедливо лишь для так назы-

ваемой дальней зоны, где r>>λ).

б)

Е>Е

const

а)

Рисунок 1.6 – Распределение поля вокруг излучающего диполя

Из выражения (1.9) ясно, что излучение обладает направленностью в

вертикальной плоскости (зависит от значения угла θ) и одинаково во всех

направлениях в горизонтальной плоскости (не зависит от ϕ). Это обстоятель-

ство учитывают, вводя понятие диаграмм направленности диполя в верти-

кальной и горизонтальной плоскостях. На рисунке 1.6,б видно, что в направ-

лении оси

z (вдоль диполя) излучение отсутствует. Оно достигает максимума

в направлении, нормальном диполю, когда

/2. При заданном θ излуче-

ние во всех направлениях, характеризуемых углом α, одинаково. Такое излу-

чение называют всенаправленным в экваториальной плоскости.

Понимание явлений, происходящих в коротком диполе, позволяет

рассмотреть устройство и работу реальных антенн, являющихся неотъемле-

мой частью линии радиосвязи.

1.3 Условия осуществления радиосвязи

В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно с

постоянной

скоростью.

Электромагнитная волна характеризуется следующими параметрами.

Направлением распространения (лучом) - линией, вдоль которой

происходит распространение ЭМВ. В однородной изотропной (параметры не

зависят от направления распространения) среде направление распростране-

ния - прямая линия, выходящая из источника излучения. В ряде интересных

случаев направление распространения направление распространения может

быть охарактеризовано плавной или ломаной кривой.

Фазовым фронтом - геометрическим местом точек, в котором ко-

лебания имеют одинаковую фазу. Для плоской волны фазовый фронт - плос-

кость, перпендикулярная направлению распространения. Для волны, возбуж-

даемой точечным источником, фазовый фронт - сфера.

Поляризацией - ориентацией вектора напряженности электриче-

ского поля E относительно направления распространения.

Существуют следующие виды ЭМВ:

Сферическая волна - волна, для которой поверхности равных фаз (эк-

вифазовые) представляют собой поверхности концентрических сфер, центр

которых совмещен с источником излучения. Источник, излучающий сфери-

ческую волну, называется изотропным.

Плоская волна - волна, для которой эквифазовые поверхности явля

ются плоскостями.

Произвольная волна, падая на экран с небольшим отверстием, создаёт

за ним вторичную сферическую волну. Изменение формы волны является в

данном случае необратимым процессом.

Классификация радиоволн по диапазону частот была изложена в пре-

дыдущем разделе.

Каждый из диапазонов радиоволн имеет свои особенности распро-

странения, но резких границ в изменении

условий распространения радио-

волн соседних диапазонов не существует.

В реальных условиях при РРВ необходимо учитывать влияние Земли

и участков атмосферы Земли.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распростра-

нение радиоволн: в полупроводящей поверхности земли радиоволны погло-

щаются; при падении на земную поверхность они отражаются, выпуклость

земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радио

волн.

При распространении радиоволн в неоднородной среде происходит:

отражение;

преломление;

интерференция;

дифракция;

рефракция радиоволн.

Рассмотрим явление отражения и преломления волн.

ЭМВ, распространяющиеся в свободном пространстве, в общем слу-

чае являются сферическими. Рассмотрим это понятие. Будем считать, что E и

изменяются по гармоническому закону. Предположим, что в некоторой

точке пространства 0 находится излучатель, от которого по всем направлени-

ям прямолинейно с одинаковой скоростью распространяется ЭМВ.

В этом случае одинаковая фаза волн будет наблюдаться во всех точ-

ках с центром в точке 0 (рисунок 1.7,а). Радиус этой сферы зависит от скоро-

сти движения волн

и времени, прошедшего с момента начала излучения.

а) б)

луч

фронт

Рисунок 1.7 – Типы ЭМВ: а) сферическая; б) плоская

Поскольку волны удаляются от источника, радиус сферы все время

увеличивается. Поверхность, во всех точках которой фаза волн одна и та же,

называют фронтом волны. В рассматриваемом случае фронт имеет сфериче-

скую форму, поэтому волну называют сферической. На значительных рас-

стояниях (по сравнению с длиной волны) от излучателя небольшие участки

сферы можно

приближенно считать плоскими. Волны, имеющие плоский

фронт, называют плоскими (рисунок 1.7,б).

Рисунок 1.8 – Отражение (а) и преломление (б) ЭМВ

Если плоская падающая волна попадает на границу раздела двух сред

с разными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей, она

отражается от нее, образуя отраженную волну, т.е. возвращается в ту же сре-

ду (рисунок 1.8,а). При этом угол падения θ

пад

равен углу отражения θ

отр

Явление преломления ЭМВ состоит в том, что при переходе волны из

одной среды в другую изменяется направление ее распространения.

Интерференция - это сложение ЭМВ в пространстве, приводящее к

образованию некоторой результирующей волны. Напряженность электриче-

ского и магнитного полей этой волны определяется (при одинаковой частоте)

сдвигом фаз между взаимодействующими волнами. Если, например,

этот

сдвиг равен нулю, напряженности соответствующих полей увеличиваются

прямо пропорционально числу взаимодействующих волн.

Дифракция -

это способность ЭМВ "огибать" различные препятствия,

находящиеся на пути их прямолинейного распространения. Явление дифрак-

ции проявляется тем заметнее, чем больше длина падающей ЭМВ по сравне-

нию с геометрическими размерами препятствия.

Рефракцией называют процесс "искривления" лучей ЭМВ, происхо-

дящий при распространении радиоволн в среде с плавно изменяющейся ди-

электрической и магнитной проницаемостью. Это явление похоже на пре-

ломление волн, однако последнее происходит, когда параметры среды ε

изменяются не постепенно, а скачкообразно.

Используемые для передачи сигналов в радиосвязи ЭМВ распростра-

няются не в свободном пространстве, а в реальных средах. В таких средах из-

за их конечной проводимости часть энергии волн преобразуется в тепло, по-

скольку напряженность электрического и магнитного полей по мере распро-

странения волн постепенно уменьшается,

т.е. волна ослабляется. Ослабление

тем больше, чем больше проводимость среды распространения и выше час-

тота ЭМВ.

Любая радиолиния должна обеспечивать передачу сообщения (сигна-

ла) с заданным качеством. Весьма характерной ошибкой, часто допускаемой

обучаемыми, является то, что говорят о качестве связи следующим образом:

“Необходимо обеспечить связь...” А что это такое?

Это выражение крайне

неконкретное.

Связь должна быть обеспечена с заданным качеством, например с за-

данной достоверностью, под которой мы понимаем некоторую степень соот-

ветствия переданного сообщения принятому. Не вводя здесь показатели ка-

чества, отметим, что оно существенным образом зависит от вида используе-

мого сигнала, способа обработки сигнала на приемной стороне, от

энергети-

ческих характеристик радиолинии (мощности передатчика, коэффициентов

усиления антенн и др.), от ослабления сигнала в радиолинии и от величины

различных помех.

Для оценки эффективности радиолинии используется первое или ос-

новное уравнение связи:

FGGР

прмпрдпрмпрдпрд

⋅

⋅λ⋅η⋅η⋅⋅⋅

где Р

- мощность сигнала на входе приемника; Р

прд

- мощность передат-

чика;

прд(прм)

- коэффициент усиления передающей (приемной) антенны;

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

- ослабление сигнала при распространении в свободном про-

странстве;

- длина волны;

r - дальность связи;

- коэффициент ослабления сигнала по мощности за счет дополни-

тельных потерь энергии на трассе распространения.

Если обозначим качество связи через K

св

, то имеет место следующая

функциональная зависимость

)(

св

вх

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

, т.е. качество связи является

некоторой функцией от отношения мощности сигнала к мощности помех на

входе приемного устройства. Вид функции зависит от вида сигнала и способа

обработки сигнала в приемном устройстве.

Приведенные два выражения являются основой для оценки эффектив-

ности и для расчета любой радиолинии. Особенности радиолиний различных

диапазонов в

основном определяются механизмами дополнительного погло-

щения энергии радиоволн, источниками и уровнями помех, достижимыми

прд

, G

прд

, G

прм

и используемыми диапазоном волн, т.е.

1.4 Основные характеристики и параметры антенн

При организации радиолиний существенное значение имеет напря-

женность поля в точке приема или мощность сигнала на входе радиоприем-

ника. Именно эти величины наряду с видом модуляции, способом обработки

сигнала в приемнике, помехами, поступающими на вход приемника, оказы-

вают влияние на качество принимаемой информации. Почему при

приеме

сигналов дальних станций разборчивость речи хуже, чем при приеме сигна-

лов ближних станций? Потому что создаваемая напряженность поля в точке

приема и мощность принимаемого сигнала будет меньше. В предыдущем

разделе было установлено, что напряженность поля убывает с увеличением

расстояния. Но есть еще один фактор, влияющий на эту величину. Этот

фак-

тор - антенна.

Антенное устройство выполняет важную роль в радиосвязи, а именно:

излучает энергию передатчика в свободное пространство в виде

энергии электромагнитного поля;

принимает из свободного пространства энергию ЭМП и передает ее

в приемник.

Антенное устройство является звеном, связывающим передатчик и

приемник посредством свободного пространства, и обычно содержит:

собственно антенну вместе с несущей конструкцией, а также меха-

низм, осуществляющий изменение ориентации антенны;

линию питания (фидер);

вспомогательные элементы (для подстройки, симметрирования и

т.д.)

дополнительное оборудование (контрольно-измерительный ком-

плекс, заземление, устройства для обеспечения безопасности и т.д.).

Кроме этого, будут рассмотрены особенности функционирования не-

которых типовых антенн, определены их основные характеристики для усло-

вий свободного пространства.

Рассмотрим процесс излучения электромагнитного поля передающей

антенной.

Рисунок 1.9 – Симметричный вибратор

Предположим, что имеется обычный колебательный контур LC (рису-

нок 1.9,а). В этом контуре электрическое поле сосредоточено между обклад-

ками конденсатора, а магнитное - вблизи витков контурной катушки. Так как

электрическое и магнитное поля разделены в пространстве, излучение элек-

тромагнитных волн не происходит.

Условия, необходимые для излучения волн, выполняются в открытом

колебательном контуре

, к которому можно перейти, мысленно раздвигая об-

кладки конденсатора (рисунок 1.9 б, в) до тех пор, пока провода окажутся на

одной прямой. При том интенсивность излучения электромагнитных волн

становится максимальной. Полученную при этом антенну называют симмет-

ричным вибратором.

Такой же вибратор может быть образован из разомкнутой двухпро-

водной длинной линии, если

ее провода разделены под углом 180

, как это

показано на рис. 1.9,г. Здесь же показаны распределение тока I

в антенне и

амплитуды напряжения U

. Распределение амплитуд напряжения и тока

вдоль симметричного вибратора неравномерное (в отличие от диполя, где ток

распределен равномерно).

Рисунок 1.10 – Несимметричный вибратор

Разновидностью симметричного вибратора является несимметричный

вибратор. В нем роль второго провода играет поверхностный слой Земли, что

возможно благодаря его сравнительно хорошей проводимости. В несиммет-

ричном вибраторе, как и в симметричном, ток и напряжение распределены

неравномерно. Так при длине вибратора

на его открытом конце на-

блюдается узел тока и пучность напряжения, а в основном вибратора - узел

напряжения и пучность тока (рисунок 1.10).

Обратите внимание на радиофицированные автомобили. У них в ка-

честве антенны используется несимметричный вибратор.

Симметричный и несимметричный вибраторы относятся к классу так

называемых проволочный антенн. На их базе строятся

и другие.

Как формируется поле излучения в некоторой точке пространства при

использовании реальных антенн? Условно реальную антенну можно разбить

на бесконечно малые элементы. При этом можно считать, что распределение

тока в каждом из элементов равномерно. В любой точке окружающего про-

странства можно найти напряженность поля, создаваемого каждым элемен-

том антенны.

Передающая

антенна предназначена для преобразования энергии ра-

диочастотного сигнала, сформированного в радиопередатчике, в энергию

свободно распространяющихся электромагнитных волн (радиоволн).

Приемная антенна осуществляет обратное преобразование.

Одним из основополагающих принципов теории антенн является

принцип взаимности, заключающийся в том, что одна и та же антенна может

использоваться как в качестве передающей, так и в

качестве приемной при

сохранении неизменными ее основных параметров при переходе от одного

режима работы к другому.

Это позволяет во многих случаях упростить анализ работы антенн, так

как появляется возможность ограничиться рассмотрением их характеристик

только в режиме передачи.

Понятно, что передающая антенна тем лучше выполняет свои функ-

ции, чем большую мощность она

излучает в окружающее пространство.

В теории электромагнитного поля показывается, что излучаемая в

пространство мощность определяется следующим образом:

222

)/(80 λπ=

IP l

(1.10)

Для инженерных расчетов удобно представить дело так, будто эта

мощность поглощается в некотором резисторе, сопротивление которого на-

зывается сопротивлением излучения антенны (диполя). Из (1.10) нетрудно

найти, зная, что P=I

∑

222

)/(80/ λπ==

Σ д

IPR l

(1.11)

Чем больше сопротивление излучения антенны, тем большую мощ-

ность она излучает в пространство при том же токе и тем больше напряжен-

ность поля в точке приема. Из (1.11) видно, что для увеличения мощности

излучения Р выгодно увеличивать

. При больших значениях этого от-

ношения начинают сказываться явления, существенно изменяющие свойства