Радиотехнические системы связи

Радиотехника – отрасль техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний и волн с длиной волны при распространении в вакууме от 100 тыс. км до 0,05 мм (с частотами от 3Гц до 6000ГГц) с целью передачи информации в радиосвязи, радиовещании, радиолокации, радионавигации и др.

Общепринятая международная классификация диапазонов радиоволн и соответствующих им диапазонов радиочастот приведена в Табл. 1.1

 

Наименование волн	Диапазон волн	Диапазон частот	Устаревшие термины
Декамегаметровые	105…104км	3…30Гц
Мегаметровые	104…103км	30…300Гц
Гектокилометровые	103…102км	300…3000Гц
Мириаметровы	100…10км	3…30кГц	Сверхдлинные
Километровые	10…1км	30…300кГц	Длинные (ДВ)
Гектометровые	1000…100м	300…3000кГц	Средние (СВ)
Декаметровые	100…10м	3…30МГц	Короткие (КВ)
Метровые	10…1м	30…300МГц
Дециметровые	100…10см	300…3000МГц	Ультракороткие (УКВ), (СВЧ)
Сантиметровые	10…1см	3…30ГГц	(УКВ), (КВЧ)
Миллиметровые	10…1мм	30…300ГГц	(УКВ), (КВЧ)
Децимиллиметровые	1…0,1мм	300…3000ГГц	(УКВ), (КВЧ)

 

Для обеспечения устойчивой и надежной радиосвязи очень важна длина волны несущего колебания. На выбор того или другого диапазона радиоволн для конкретной системы передачи информации влияет ряд факторов, связанных с особенностью излучения и распространения электромагнитных волн, характером имеющихся в заданном диапазоне помех, параметрами сообщения, характеристиками и габаритными размерами передающих и приемных антенн.

Механизм возникновения и распространения высокочастотных электромагнитных колебаний весьма сложен и его невозможно описать, основываясь на привычных понятиях о постоянных электрических и магнитных полях. Постоянные электрические и магнитные поля не могут существовать без породивших их источников, т.е зарядов и токов. Возбужденное же каким-либо источником переменного тока электромагнитное поле может существовать само по себе в отрыве от источника и будет в виде электромагнитных волн излучаться в свободное пространство и распространяться в нем по некоторому пути со скоростью света.

Простейшим излучателем электромагнитного поля в принципе 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 распределен по длине излучателя равномерно, т.е. I_x=I₀ (рис. 1.1, а).

 

 

На практике такой излучатель был реализован с помощью диполя Герца, представляющего собой два небольших металлических шара, соединенных отрезком проводника; в разрез проводника включен источник переменного тока (рис.1.1, б). Благодаря наличию шаров на концах проводника, длина диполя L может быть существенно уменьшена. Длина разреза проводника ∆ намного меньше длины диполя L. Согласно законам электромагнитной индукции, в пространстве, окружающем этот диполь с протекающим в нем переменным током, будет возникать переменное магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле создает, в свою очередь, в окружающем пространстве переменное электрическое поле, Совместно изменяющиеся электрическое и магнитное поле порождают в соседних точках пространства соответственно магнитные и электрические поля, поэтому эти, взаимосвязанные явления, представляют собой единое электромагнитное поле или электромагнитную волну.

Процесс возбуждения в пространстве электромагнитной волны переменным током, протекающем в диполе, называется электромагнитным излучением (ЭМИ).

Эти сложные физические явления теоретически обосновал Д.Максвелл в виде двух фундаментальных положений: всякое изменение во времени магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля; всякое изменение во времени электрического поля приводит к появлению вихревого магнитного поля. Основные положения теории электромагнитного поля Максвелл выразил четырьмя связанными между собой уравнениями электродинамики. Они подтверждают существование излученных каким-либо источником электромагнитных волн, которые распространяются в свободном пространстве прямолинейно со скоростью света: , где μ₀=4π∙10^-7=1,25663706…10^-6Гн/м; ε₀=1/(μ₀с²)=8,85418782…10^-12Ф/м. Иногда вводится величина, называемая «волновым сопротивлением» или «импедансом» вакуума:

При своем распространении в свободном пространстве электромагнитные волны переносят энергию, восполняемую источником тока, питающего диполь. Соответствующая этой энергии мощность Р_и (энергия, переносимая полем за единицу времени) называется мощностью излучения. Предположим, что источник излучения является точечным, В этом случае мощность электромагнитной волны излучается равномерно во всех направлениях, создавая воображаемую поверхность сферы. Плотность потока мощности, или интенсивность излучения (мощность, проходящая через еденицу площади поверхности сферы, Вт/м²), равна , где S – поверхность сферы, r – радиус сферы. Из курса физики известно, что плотность потока мощности электромагнитного поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е_и. В теории излучения и распространения электромагнитных колебаний доказывается, что эта зависимость определяется формулой . Приравняв эти формулы, получим . Таким образом, напряженность электрического поля электромагнитной волны убывает пропорционально расстоянию от источника излучения (напомним, что напряженность электростатического поля убывает пропорционально квадрату расстояния). Именно такая линейная зависимость напряженности и позволяет передавать информацию на очень большие расстояния с помощью электромагнитных колебаний при реально достижимой мощности излучения системы передачи информации.

 

 

Лекция 2.

Элементы теории распространения радиоволн. С физической точки зрения земная поверхность представляет собой среду с различными электрическими параметрами (электропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т.д.), по которой распространяется и частично поглощается энергия радиоволн. На дальность распространения радиоволн в свободном пространстве существенное влияние оказывает явление дифракции – огибание препятствий. Благодаря дифракции радиоволны могут распространятся далеко за пределами прямой видимости. При распространении радиоволн вдоль земной поверхности возможно также их отражение от Земли. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, в радиотехнике называют земными или поверхностными волнами. Существенное влияние на распространение на распространение радиоволн различных диапазонов оказывает также земная атмосфера. Окружающую Землю атмосферу принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, простирающийся до высот 10…20км. Тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам, которые определяются атмосферным давлением, температурой и влажностью и меняются при изменении метеоусловий. Кроме того, воздушные течения производят интенсивное перемешивание газов тропосферы, что приводит к созданию локальных неоднородностей. Все это существенно влияет на распространение радиоволн в тропосфере.

Слой атмосферы, лежащий выше тропосферы и располагающийся ны высотах вплоть до 50км, называют стратосферой. Плотность газов в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. С точки зрения электрических свойств, стратосфера является практически однородной средой, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно со скоростью света и без существенных потерь.

Над стратосферой (высота до 20000км) располагается ионосфера, представляющая собой верхние, ионизированные слои атмосферы, которые образуются под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей Солнца. В результате ионизации молекул воздуха возникают положительные ионы газа и свободные электроны. Чем больше концентрация свободных электронов, тем сильнее влияют они на распространение радиоволн.

Число свободных электронов, содержащихся в 1м³ воздуха, называют концентрацией и обозначают N_э эл/м³. Концентрация электронов в слоях ионосферы меняется по высоте. На малых высотах она невелика, так как недостаточна энергия ионизации. На больших высотах концентрация свободных электронов невелика в следствии малой плотности газа в атмосфере. На высотах 300…400 км концентрация свободных электронов в ионосфере максимальна. Изменение плотности атмосферы с увеличением расстояния от Земли и сложная зависимость ее температуры от высоты к тому, что в результате ионизации в ионосфере образуются четыре ярко выраженных слоя: D, E, F₁, F₂.

Ионосферный слой D расположен на высотах 60…90 км над поверхностью Земли. Он представляет собой нерегулярное образование ионосферы и существует только в дневные часы, когда велика интенсивность солнечного ионизирующего излучения. На высотах 100…120км от поверхности Земли находится ионосферный слой Е. В зависимости от времени года и суток изменяется лишь концентрация свободных электронов в этом слое Дне слой Е располагается несколько ниже, а ночью – значительно выше, что связано с изменениями уровня солнечного потока. Слои ионосферы F₁, и F₂ занимают области на высотах от 120 до 450км от поверхности Земли. Обычно их рассматривают как один слой F, имеющий наибольшую концентрацию свободных электронов в ионосфере.

 

Рис.1.2.Дневная и ночная концентрация электронов в слоях ионосферы

 

На рис 1.2 представлена зависимость распределения концентрации свободных электронов от высоты в характерных слоях ионосферы для конкретного случая. Характеристики всех слоев ионосферы сильно меняются в зависимости от времени года и суток и циклов солнечной активности. Летом ионизация газов интенсивнее, чем зимой; в дневное время она больше, чем ночью. Наличие в атмосфере слоя ионосферы существенно влияет на распространение радиоволн.

Как и световые волны, радиоволны способны преломляться при переходе из одной среды в другую. Исследования ионосферы показали, что ее коэффициент преломления для радиоволн различной частоты уменьшается с ростом высоты. В результате такого влияния направления лучей в ионосфере постепенно искривляется в сторону стратосферы. В некоторых условиях преломление в ионосфере столь велико, что излученные радиоволны могут полностью от нее отразится и вернуться к Земле.

Степень преломления лучей электромагнитных колебаний в слоях ионосферы зависит как от угла падения радиоволны γ с поверхности Земли на ионизированнй слой, так и частоты их излучения f. Возможные траектории распространения радиоволны (луча) при различных углах падения показаны на рис.1.3.

Рис.1.3. Траектории распространения радиоволн при разных углах падения.

 

Исследования распространения радиоволн в различных условиях выявили определенную закономерность между углом падения γ, концентрацией свободных электронов в ионосфере N_э и частотой излучения радиоволны f. Угол падения, при котором радиоволна не проходит через ионосферу и распространяется вдоль нее (луч 1), называется критическим. Критический угол падения радиоволны определяется выражением

(1.7)

Если углы падения меньше критического, то преломление лучей будет невелико, и радиоволны проникают через ионосферу в космос (луч 2). Приуглах падения, больших критического, преломление настолько велико, что радиоволны полностью отразятся и вернутся на Землю (луч 3).

Из соотношения (1.7) следует, что чем выше частота, тем меньше степень преломления радиоволн при прочих равных условиях. Очень короткие радиоволны вообще не не преломляются в ионосфере и, пройдя через нее, излучаются в космическое пространство. Такие волны применяются в системах космической и спутниковой радиосвязи. Воспользуемся формулой (1.7) и определим наивысшую частоту излучения электромагнитной волны [МГц], при которой луч, направленной с Земли вертикально (γ_кр=0), еще может возвратиться на нее (отразится от ионосферы):

(1.8)

Частота f_кр называется критической частотой излучения, соответствует максимальной концентрации электронов в слоях ионосферы и составляет 2…10 МГц. Если радиоволна послана с поверхности Земли наклонно, то отражение от ионосферы существеннее. Оказывается, что частота колебаний электромагнитной волны, посланной с земной поверхности по касательной к горизонту, в 3…5 раз выше критической частоты. Такая частота носит название максимально применимой частоты (МПЧ).

Радиоволна, излучаемая с Земли с частотой выше МПЧ, теоретически ни при каких условиях не отразится от ионосферы и проникает в космическое пространство. В радиоэлектронике радиоволны, распространяющиеся путем отражения (а также преломления) от ионосферы, называют пространственными волнами (пространственными лучами). Траектории распространения радиоволн с различными частотами излучения показаны на рис.1.4.

 

 

Рассмотрим особенности распространения радиоволн различных диапазонов и оценим основные факторы, влияющие на дальность их действия на Земле. Совместное направляющее действие земной поверхности и ионосферы наиболее заметно для длинноволновой части радиоволнового диапазона. Эти радиоволны могут распространятся как за счет дифракции, так и путем отражения от ионосферы. Причем некоторые типы радиоволн могут распространяться в результате многократных попеременных отражений от ионосферы и Земли, вследствие чего в точку приема могут прийти несколько лучей.

Степень практического освоения различных диапазонов волн в разных областях радиотехники и электроники далеко не одинакова и зависит от множества факторов. Рассмотрим распространение наиболее используемых диапазонов волн.

Деаметровые, мегаметровые, гектокилометровые и мириаметровые (их длинноволновая часть) волны обладают одним важнейшим преимуществом – они слабо поглощаются морской водой и поэтому могут использоваться в системах подводной связи (в частности, для связи с подводными лодками). Данные системы применяют лишь для предупреждения (телетайпом или кодом Морзе) подводных лодок о необходимости всплытия и принятия более подробной информации через систему космической связи. Малая информативность связи на этих волнах, сложность и дороговизна приемопередающей аппаратуры компенсируется глубиной их проникновения в морскую воду. Следует отметить, что естественные электрические помехи в этих диапазонах достаточно стабильны и предсказуемы.

 

Километровые волны распространяются над поверхностью Земли по двум специфическим траекториям: поверхностными и пространственными лучами. Поверхностные волны в этом частотном диапазоне затухают сравнительно медленно (достаточно слабо поглощаются Землей) и распространяются вследствие дифракции на расстояние до 2500км. На значительно большие расстояния километровые волны распространяются за счет отражения от нижних слоев ионосферы. Известно, что суша и вода также достаточно хорошо отражают эти волны. В результате происходят многократные попеременные отражения, и километровые волны распространяются в своеобразном сферическом волноводе,

 

образованном нижними слоями ионосферы и полупроводящей поверхностью Земли (рис.1.5).

 

Рис. 1.5. Распространение километровых волн пространственными лучами.

 

Такой способ распространения радиоволн из передающего пункта А в приемный пункт В называют скачковым. Связь на километровых волнах весьма устойчива и достаточно слабо зависит от времени года и суток.

Гектометровые волны также распространяются поверхностными и пространственными лучами, однако в этом случае имеют место некоторые специфические особенности. Радиоволны этого диапазона разными путями достигают точки приема в дневное и ночное время суток. Днем в основном распространяются поверхностные лучи. Однако существенное поглощение энергии на повышенных частотах этого диапазона ограничивает дальность распространения пределами сотен километров.

Пространственные лучи в дневное время практически полностью поглощаются слоями ионосферы вследствие сильной ионизации газовых образований солнечным излучением. Ночью же, когда ионизация газа в ионосфере значительно уменьшается, интенсивность пространственного луча возрастает, что способствует эффективному распространению гектометровых волн на расстояния до нескольких тысяч и даже десятков километров. Следует отметить, что на очень больших расстояниях от предающей антенны системы связи в ночное время созданное электромагнитное поле в точек приема может образоваться как результат взаимной интерференции поверхностной и пространственной радиоволн (рис.1.6, А – точка передачи, В – точка приема).

 

Рис.1.6. Возникновение эффекта замирания.

 

На гектометровых волнах в ночное время суток в некоторых местах приема наблюдается эффект замирания или фединг, представляющий собой значительное и быстрое изменение уровня принимаемого сигнала. Основной причиной замирания является интерференция двух волн (пространственных и поверхностных), пришедших в точку приема В из точки А по различным траекториям. Поскольку различны длины путей волн, то различны и фазы пришедших сигналов. Если волны в точке приема синфазны, то происходит их сложение, если же противофазны – они взаимно компенсируются. При этом амплитуда радиосигнала в точке приема может меняться в десятки и даже сотни раз – от очень мощного сигнала до его полного отсутствия.

Декаметровые волны могут распространяться как поверхностными, так и пространственными лучами. Однако распространение поверхностных волн вдоль Земли ограничивается пределами прямой видимости, что обусловлено слабой дифракцией и резком возрастании поглощения их энергии земной поверхностью. Декаметровые волны могут распространяться на очень большие расстояния вдоль земной поверхности путем однократного или многократного отражения от ионосферы и Земли. Декаметровым волнам также присущ эффект замирания. Кроме того, при радиосвязи в этом диапазоне образуются так называемые зоны молчания (отсутствие сигнала), поверхностных уже нет, а пространственные волны, отражаясь от ионосферы, еще не действуют на этих дальностях.

Типичная картина хода электромагнитных лучей в пространстве Земля – слои ионосферы представлена на рис.1.7, на котором луч 1 представляет поверхностные волны, луч 2 – однократно отраженную волну, а луч 3 – двукратно отраженную от ионосферы волну.

 

 

Рис.1.7. Распространения декаметровых волн.

 

Метровые, дециметровые и сантиметровые волны при распространении над земной поверхностью практически не отражаются от ионосферы, поэтому связь на них за счет пространственных волн невозможна. В то же время радиоволны этого радиодиапазона обладают ничтожно малой дифракцией и не могут огибать препятствия на пути распространения. Поэтому радиоволны диапазонов до 10м распространяются только в пределах прямой видимости между мачтами связных передающих и приемных антенн (рис.1.8).

 

 

Рис.1.8. Распространение метровых волн.

 

Из элементарных геометрических построений нетрудно определить расстояние прямой видимости D_В между двумя мачтами антенн с высотами h₁ и h₂.

 

(1.10)

Здесь расстояние прямой видимости D_В выражено в км, а высоты антенн h₁ и h₂ в м; R_З – радиус Земли в км (около 6378 км).

Лекция 3.

Элементарные антенны

В общем случае практический любой отрезок проводника, по которым протекает переменный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Точно также в любом отрезке проводника, находящемся в электрмагнитном поле, индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Однако доля энергии электромагнитного поля, возникающая в проводнике, существенным образом зависит от его конфигурации, соотношения размеров проводника и длины волны электромагнитных колебаний, Для излучения и приема электромагнитных колебаний, переносящих информацию, используются специфические радиотехнические устройства, называемые антеннами. Теория и экспериментальные исследования показывают, что простейшую излучающую (передающую) антенну (рис.1.9) можно создать из отрезка электрического проводника размером в половину длины излучаемой волны (аналог колебательного контура., в середину которого включен генератор колебаний высокой частоты. Антенну, полученную из отрезка проводника размером в половину длины волны излучения, называют полуволновым вибратором.

 

 

Рис. 1.9. Полуволновой вибратор: а – устройство; б – диаграмма направленности.

Простейший вид диаграммы направленности создается элементарным диполем, у которого наибольшая интенсивность излучения имеет место в направлении, перпендикулярном проводнику; вдоль проводника излучение отсутствует. Увеличение длины излучающего проводника приводит к к существенному изменению электромагнитного поля, поскольку каждый элементарный излучатель (диполь) создает свое поле излучения. Полное электромагнитное поле излучения в любой точке пространства равно сумме элементарных полей. На рис.1.9, б сплошной линией показана диаграмма направленности вертикально расположенного полуволнового вибратора, построенная в меридиональной (азимутальной) плоскости. Здесь же штриховой линией показана диаграмма направленности элементарного диполя.

Отметим очевидное – для вертикально расположенного вибратора диаграмма направленности в горизонтальной плоскости имеет вид окружности (круговая ДН), а в вертикальной – круговых вытянутых восьмерок. Подобная форма диаграммы направленности в горизонтальной плоскости свидетельствует о всенаправленности излучения полуволнового вибратора вдоль поверхности Земли.

Концентрация излучаемой энергии в узком секторе позволяет резко увеличить дальность распространения волн. Это можно осуществить с помощью многовибраторных антенн. Если параллельно излучающему вибратору 1 на расстоянии чуть меньше λ/4 расположить другой полуволновой вибратор 2 (рефлектор), то в нем под воздействием поля излучения будет индуцироваться переменный ток, который возбудит свое электромагнитное поле (рефлектор действует как отражатель). Данное электромагнитное поле, суммируясь с электромагнитным полем излучающего вибратора, сузит диаграмму направленности со стороны последнего. Если перед излучающим вибратором (рис. 1.10) также расположить

 

Рис.1.10. Антенна типа волновой канал.

 

несколько вспомогательных вибраторов 3 (директоров), то, подбирая их длину и расстояние между ними можно еще более сузить диаграмму направленности в направлении излучения и ослабить ее с противоположной стороны. Построенная таким образом конструкция называется антенной типа волновой канал и широко используется в качестве приемной телевизионной антенны. Отметим такой важный параметр антенны, как коэффициент направленного действия, показывающий во сколько раз средняя мощность, излучаемая (принимаемая) в заданном направлении, больше средней мощности, излучаемой по всем направлениям. Параметр, равный произведению коэффициента направленного действия и коэффициента полезного действия, характеризует коэффициент усиления антенны.

В диапазонах километровых волн габариты даже одновибраторных антенн оказываются столь большими, что возникают существенные трудности в их реализации. В частности, поднимать излучатель на высоту, сравнимую, например с длиной волны в 3…5 км, практически невозможно. Оказалось, что имеется очень простое решение этой проблемы. Поскольку Земля для этих диапазонов радиоволн является достаточно хорошим проводником, то в качестве антенн можно использовать не полуволновой, а четвертьволновой заземленный вибратор. Такая антенна носит название четвертьволновой вибраторной антенны и представляет собой вертикальную излучающую конструкцию, между основанием которой и Землей включен источник высокочастотных колебаний (рис.1.11, а).

 

 

Рис.1.11. Четвертьволновая вибраторная антенна.

 

В этом случае отраженные от Земли радиоволны будут создавать электромагнитное поле, аналогичное тому, которое возбуждается незаземленным четвертьволновым элементом полуволнового вибратора. Результирующее же электромагнитное поле над поверхностью Земли будет практически таким же, как и излучение одним полуволновым вибратором. Однако мощность излучения почти в два раза меньше.

Для создания остронаправленного излучения энергии электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн менее метра широко используются антенны с параболическим отражателем. Излучатель такой антенны должен быть расположен в фокусе параболического зеркала. В этом случае данная антенна будет концентрировать электромагнитное излучение в узком секторе пространства, подобно отражающему зеркалу оптического прожектора или электрического фонаря (рис.1.12.).

Рис.1.12. Параболическая антенна.