Основы радиосвязи

.

Ближняя зона

В точках пространства, расположенных вблизи излучателя, там, где выполняется соотношение

можно считать, что . Кроме того, можно еще более упростить выражение для комплексных амплитуд , и , пренебрегая в скобках слагаемыми высших порядков малости. Итак, для комплексные амплитуды

,

,

.

Мгновенные значения проекций векторов напряженности и могут быть записаны в следующем виде:

,

,

,

где

- амплитуда колебаний напряженности магнитного поля.

Расположение проекций векторов и в пространстве показано на рис.3.4

Суммарный вектор перпендикулярен вектору и колебания и сдвинуты во времени на 90o.

Мгновенный вектор Пойнтинга в ближней зоне

Как видим, плотность потока мощности электромагнитного поля в ближней зоне излучателя колеблется около нулевого значения, уходя от антенны и возвращаясь обратно. Среднее во времени значение вектора Пойнтинга

.

Итак, в ближней зоне излучения энергии нет.

Особенности ближней зоны

1.Электромагнитная волна не распространяется в пространстве, а колеблется около антенны, причем амплитуды колебаний напряженностей и быстро падают с ростом расстояния r: Hm Em - падает обратно пропорционально r2, а Em - обратно пропорционально r3;

2.Колебания H(t) и E(t) имеет постоянный фазовый сдвиг, равный 90o, в результате чего средняя во времени плотность мощности электромагнитных колебаний равно 0; антенна в ближней зоне эквивалентна реактивному элементу электрической цели (емкости или индуктивности), у которого, как известно, ток и напряжение колеблются в квадратуре.

Ближнюю зону иначе называют зоной индукции.

Дальняя зона

При достаточно больших расстояниях от антенны, где () не учитывать сомножитель в выражениях для , и нельзя. Пренебрегая малыми членами в скобках выражений (2.1), получим

,

,

.

Мгновенные значения напряженностей H и E:

,

,(3.2)

где

,

- амплитуды колебаний напряженностей поля.

Как видим, векторы и перпендикулярны в пространстве и их значения колеблются синфазно во времени. Из (3.2) следует, что выражения для H и E представляют собой волны, бегущие вдоль оси r.

Среднее значение вектора Пойнтинга в дальней зоне

(3.3)

В радиосистемах прием электромагнитных колебаний происходит на расстояниях, существенно больших длины волны, т.е. в дальней зоне.

Особенности дальней зоны

1.Напряженности H и E колеблются синфазно, их амплитуды уменьшаются обратно пропорционально расстоянию r;

2.Плотность мощность электромагнитного поля определяется квадратом амплитуды тока генератора Im, растет с увеличением отношения длины вибратора l к длине излучаемой волны л и падает обратно пропорционально квадрату расстояния;

4.Излучаемая мощность зависит от угла места и и максимальна в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

Из выражения (2.3) следует, что для эффективного излучения геометрические размеры антенны должны быть соизмеримы с длиной волны. Этот вывод справедлив для всех антенн.

3.3 Диаграмма направленности антенны

Как видно из (3.1) и (3.3), комплексные амплитуды и плотность мощности электромагнитного поля, излучаемого диполем Герца, зависят от угла места и. Для других антенн эти величины зависят и от азимутального угла ц В общем случае от и и ц зависят амплитуды и фазы и . Поскольку H и E жестко связаны, обычно используют зависимость .

Зависимость амплитуды напряженности электрического поля E в дальней зоне от углов места и и азимута ц при постоянном расстоянии r называется амплитудной диаграммой направленности. Зависимость фазы комплексной амплитуды от и и ц называется фазовой диаграммой направленности.

Зависимость E от и для диполя Герца определяется множителем sinи, поэтому диаграмма направленности имеет вид баранки (тороид вращения) - рис. 3.5

Диаграмму направленности изображают в полярных или декартовых координатах в 2-х плоскостях:

- в плоскости ц = const - рис. 3.6, а;

- в плоскости и = const - рис. 3.6, б.



3.4 Излучение рамочной антенны

Другим простейшим излучателем является круглая проволочная рамка радиуса a, по которой протекает переменный ток I(t). Допустим, ток меняется во времени по гармоническому закону, т.е.

.

Если рамка расположена в горизонтальной плоскости, как показано на рис. 3.7, то решение уравнения Максвелла дает существование 3-х проекций векторов напряженностей поля: , и . Значения комплексных амплитуд соответствуют выражениям (3.1) для,,, полученным для диполя Герца, причем

= -,

=,

=.

В дальней зоне векторы , и ориентированы в пространстве так, как показано на рис. 3.7

Максимум излучения оказывается в горизонтальной плоскости, т.е. в плоскости рамки. Таким образом, диаграмма направленности рамочной антенны такая же, как и у диполя Герца, только векторы ипоменялись местами.

3.5 Излучение плоскости

Предположим, что имеется плоская поверхность в виде прямоугольника со сторонами a и b, по которой равномерно распределены векторы и, как показано на рис.3.8.

Нормированная диаграмма направленности такого излучающего элемента в двух взаимно перпендикулярны плоскостях при ц = 0 и ц = р/2 имеет следующий вид []:

,(3.4)

где

отношение амплитуды напряженности электрического поля к максимальной амплитуде, соответствующей углу места и = 0; l = a для плоскости ц = 0 (т.е.x0z) и l = b для плоскости ц = р/2 (т.е.y0z ). Графики функции , построенные для 2-х значений , приведены на рис. 3.9

Как видим, диаграмма направленности имеет вид лепестка, причем максимум излучения направлен перпендикулярно излучающей плоскости. Если размер плоскости увеличен, то главный лепесток сужается и появляются боковые лепестки, создающие излучения в других направлениях.

Появление максимумов и минимумов в диаграмме направленности объясняется усиливающей и ослабляющей интерференцией полей, созданных отдельными участками излучающей поверхности. Ширину главного лепестка оценивают величиной 2и0, где и0 - минимальный угол, при котором , либо величиной 2и-3дБ, где и-3дБ - угол, при котором падает на 3 дБ по сравнению с максимальный значением.

Из (3.4) и рис.3.9 следует, что для создания узконаправленных диаграмм нужно увеличивать линейные размеры антенны l с тем, чтобы выполнялось соотношение l>>л.

3.6 Типы антенн

Существуют передающие антенны, предназначенные для излучения радиоволн, и приемные антенны, служащие для их приема. Антенны - устройства взаимные, их можно использовать и для излучения, и для приема.

Имеется огромное количество типов антенн, различающихся диапазонами рабочих частот и диаграммами направленности. При проектировании антенн задаются следующие параметры:

полоса частот;

вид диаграммы направленности и поляризация излучаемых (или принимаемых) радиоволн;

минимальные потери энергии в антенне;

входное сопротивление и максимальный Kсв в фидере;

минимальный шум (для приемных антенн).

Антенны классифицируются по различным признакам: частоте, виду диаграммы направленности, конструкции. В зависимости от конструкции, существуют следующие типы антенн:

Линейные;

Апертурные;

Антенные решетки.

Линейные антенны

Особенностью линейных антенн является то, что поперечные их размеры малы по сравнению с продольными. К линейным относятся проволочные и щелевые антенны - рис. 3.10.

Г- и Т-образные антенны выполнены из проводника узкого сечения и применяются на низких частотах. Вибраторные щелевые и полосковые антенны применяют в разных частотных диапазонах, в том числе и на СВЧ. Линейные антенны создают, обычно, слабонаправленное излучение.

Апертурные антенны.

В апертурных антеннах излучение происходит в некоторой плоскости, называемой апертурой, или раскрывом. К этому типу антенн относятся рупорные, зеркальные и линзовые антенны (рис.3.11).

Простейшей апертурной антенной является волноводный рупор (рис.3.11а). Распространенным типом рассматриваемого вида являются зеркальные антенны, представляющие собой параболоид вращения, облучаемый, например, рупором (рис.3.11б). К апертурным относятся и линзовые антенны, выполненные из высококачественного диэлектрика (рис.3.11в).

Размеры апертуры обычно значительно больше длины волны, в результате имеется возможность создания остронаправленных лучей.

Антенные решётки.

Антенной решёткой называется совокупность ряда излучателей, расположенных на некоторой поверхности. В простейшем случае - это линейка излучателей (рис.3.12а)

Антенные решетки позволяют сужать диаграмму направленности. Если на пути электромагнитной волны поставить управляемый фазовращатель, то появляется возможность изменять направление излучения, создавать многолучевую диаграмму направленности или излучение специальной формы.

Решетки с возможностью управления фазой колебаний, излучаемых отдельном элементом, называют фазированными антенными решетками (ФАР) (рис.3.13)

Для уменьшения мощности источника колебаний, питающего решетку, увеличения надежности передающей системы последовательно с фазовращателями включают усилители мощности (УМ) (рис.3.14). Такие антенны называют активными фазированными антенными решетками (АФАР).

3.7 Основные параметры антенн

Для характеристики антенн используют следующие параметры:

1) ширина луча,;

2) уровень боковых лепестков, , дБ;

3) коэффициент направленного действия, D;

4) коэффициент полезного действия, ;

5) коэффициент усиления, G;

6) действующая площадь приемной антенны, Sпр;

7) шумовая температура приемной антенны, .

Ширина луча и уровень боковых лепестков.

Первые два параметра определяются по диаграмме направленности (рис.3.15). Ширина луча - это угол, в пределах которого напряженность электрического поля не падает ниже -3дБ относительно максимального значения (рис.3.15а).

Уровень боковых лепестков оценивается величиной

, дБ,

или

, дБ,

где - мощность и напряженность электрического поля наибольшего бокового лепестка; - мощность и напряженность в направлении максимума диаграммы направленности (рис.3.15).

Коэффициент направленного действия антенны.

Для оценки степени концентрации энергии электромагнитного поля в определённом направлении применяется параметр

,

называемый коэффициентом направленного действия антенны; - мощность, излучаемая ненаправленной антенной; - мощность направленной антенны при одной и той же амплитуде напряженности электрического поля в приемной антенне (рис.3.16).

Коэффициент полезного действия антенны з.

Этот коэффициент показывает, какая часть мощности электромагнитных колебаний, поступающих в антенну из передатчика, излучается в пространство

где - мощность, излучаемая направленной антенной; - мощность передатчика.

Коэффициент усиления антенны.

показывает, во сколько раз мощность колебаний, излучаемых ненаправленной антенной больше мощности поступающей от передатчика в реальную (направленную) антенну при одной и той же амплитуде в приемной антенне. Коэффициент усиления антенны дает возможность оценить, во сколько раз можно уменьшать мощность передатчика при той же дальности связи за счет применения направленной антенны.

Действующая площадь приемной антенны.

где - мощность, поступающая в приемную антенну из пространства; П - величина вектора Пойнтинга в месте расположения приемной антенны.

Шумовая температура приемной антенны Т.

Данный параметр служит мерой уровня случайных флуктуаций напряженности электрического поля (шума) в приемной антенне.

Мощность шума

,

где k = 1,38 - постоянная Больцмана; - полоса пропускания антенны; ТА - шумовая температура антенны, измеряемая в Кельвинах.

Cвязь между параметрами антенны.

Приведём известные из антенной техники соотношения между перечисленными параметрами антенн:



где А - некоторый коэффициент; S - площадь раскрыва антенны.

Как видно из приведённых соотношений, для увеличения направленных свойств антенны нужно увеличивать отношение размеров антенны к длине излучаемой волны.

3.8 Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Радиоволны, излученные антеннами, распространяются в околоземном пространстве. На условия распространения радиоволн влияют два основных фактора:

особенности строения атмосферы;

частота излучаемых колебаний.

Рассмотрим состав и процессы в атмосфере, влияющие на распространение радиоволн. Атмосфера простирается от поверхности Земли до высоты ~20000 км и имеет следующие слои (рис.3.17):

тропосфера, занимающая промежуток 0-15 км над поверхностью;

стратосфера, 15-60 км;

ионосфера, 60-20000км.

Тропосфера состоит из электрически нейтральных молекул газов. Особенностью ее является неоднородная плотность и изменяющаяся диэлектрическая проницаемость .

Стратосфера содержит разряженный однородный газ, по своим электрическим свойствам она близка к вакууму.

Ионосфера содержит ионизированный газ, состоящий из электронов и ионов. На границе стратосферы имеется слой озона О3.

На распространение радиоволн влияют следующие основные явления:

1) дифракция радиоволн, т.е. огибание ими Земли;

2) рефракция (искривление) волн в тропосфере;

3) отражение от земной поверхности;

4) отражение от ионосферы (рис.3.18).

5) поглощение энергии радиоволн газами и метеоосадками;

6) отражение от строений и растений на поверхности земли;

7) ослабляющая или усиливающая интерференция волн, приходящих к приемной антенне разными путями.

Степень влияния перечисленных явлений на распространение радиоволн в атмосфере зависит от диапазона частот колебаний напряженностей поля. В зависимости от того, какое явление преобладает в том или ином частотном диапазоне, различают следующие типы радиоволн (рис.3.18).

Земные - на них сильное влияние оказывает дифракция, т.е. огибание земной поверхности;

Тропосферные- распространяются в тропосфере и испытывают влияние рефракции;

Ионосферные - при распространении отражаются от ионосферы и Земли;

Прямые - распространяются по прямой линии.

3.9 Особенности распространения радиоволн в различных частотных диапазонах

Все частоты электромагнитных колебаний, отнесенные к радиоволнам: 3кГц - 3ГГц, разделены на 9 диапазонов. В таблице приведены обозначения и наименования этих диапазонов в зависимости от частоты и длины волны. Там же указаны преимущественные области использования различных диапазонов. Длины волн, соответствующие различным частотам, рассчитаны при допущении, что скорость распространения волн равна скорости света в вакууме

Рассмотрим как влияет диапазон частот на условие распространение радиоволн.

1. Очень низкие и низкие частоты (ОНЧ) и (НЧ) от 3 до 300 кГц соответствуют длинным волнам. Для них характерна дифракция. Это земные волны. Прием радиосигналов может быть осуществлен на расстоянии до нескольких тысяч километров.

2. Средние частоты (СЧ). Радиоволны этих частот подвержены дифракции, рефракции и, в зависимости от времени суток, отражению от ионосферы. Волны на