Особенности распространения радиоволн поверхностным и пространственным лучом

Особенности распространения волн различных диапазонов

 

Деление радиоволн по диапазонам является условным, т. е. Провести четкую границу между диапазонами волн не возможно и условия распространения радиоволн в значительной степени зависят от состояния ионосферы, погодных условий, времени суток и времени года. В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Радиоволны подчиняются законам дифракции и рассеивания. При переходе радиоволн из одной среды в другую с разной диэлектрической проницаемостью скорость распространение радиоволн изменяется, происходит отражение и преломление радиоволн. При наличии неровной отражающей поверхности, если размеры неровностей соизмеримы с длиной волны, может происходить диффузное отражение, т. е. Отражение во все стороны. В неоднородных средах, показатель преломления которых от слоя к слою изменяется плавно, радиоволны распространяются по криволинейным траекториям, т. е. наблюдается явление рефракции (плавного преломления).

Если угол падения превосходит некоторое критическое значение при переходе луча из среды оптически плотной в среду с меньшей плотностью, луч совсем не проникает во вторую среду, целиком отражаясь от границ раздела. При распространении радиоволн в проводящей среде происходит поглощение энергии на нагревание этой среды. Радиоволны в свободном пространстве распространяются со скоростью света, направление распространения перпендикулярно плоскости Е-Н, при чем вектора Е и Н перпендикулярны. Направление распространения и количество переносимой энергии определяется вектором Умова-Пойтенка.

 

Особенности распространения длинных волн

 

ДВ или километровые волны имеют длину от 3000 м до 30000 м. Они применяются в радиотелеграфии, в радиовещании, в радионавигации. Особенности распространения:

1. Способны огибать кривизну земного шара и отдельные неровности земной поверхности

2. Частоты ДВ значительно ниже критических, даже для слоя D, имеющего наименьшую концентрацию свободных электронов, следовательно, при любом угле падения, даже близком к 90⁰, ДВ отражаются от ионосферы.

3. Т. к. для ДВ даже почва средней влажности является проводником, то волны отраженные от ионосферы отражаются от земной поверхности, т. е. Образуется пространственный волновод. Дальность связи на ДВ при распространении в пространственном волноводе достигает тысяч и десятка тысяч километров.

4. При отражении от ионосферы ДВ значительно ослабляются, поэтому для радиосвязи на большие расстояния необходимо увеличивать мощность передатчика, излучающего, такие как бы пространственные волны. Поглощение этих пространственных волн ионосферой значительно меньше, чем поглощение поверхностных волн земной поверхностью. Поэтому для связи в ДВ на большие расстояния основную роль играют пространственные волны.

Преимущества: независимость условия их распространения от времени суток и времени года, а также от метеорологических условий.

Недостатки: необходимость применения передатчиков большой мощности для связи на большие расстояния. Для связи на небольшие расстояния используется поверхностная волна.

 

Антенны

 

Антенны служат для излучения и приема электромагнитной энергии. Антенны обладают свойством взаимности, т. е. одна и та же антенна может излучать и принимать электромагнитную энергию.

Основные параметры антенны:

1. Диаграмма направленности (ДН). Диаграммой направленности называют зависимость напряженности поля, создаваемую антенной на достаточно большом расстоянии от углов наблюдения в пространстве D и j, где D - угол между линией горизонта и направлением излучения или приема в вертикальной плоскости, j - угол между направлением главного излучения или приема антенны и направлением наблюдения в горизонтальной плоскости. Для удобства изображения ДН антенн, излучающих линейно поляризованные волны, ДН рассматривают в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В некоторых случаях диаграммы удобно рассматривать в вертикальной или горизонтальной плоскости по отношению к плоскости земли. Плоские ДН изображаются в полярной или прямоугольной системах координат. ДН антенн характеризуется шириной главного лепестка. ДН оценивают также по интенсивности боковых лепестков Емакс. бок/Емакс. гл.

2. Коэффициент защитного действия антенны называется отношение напряженности поля, создаваемого антенной в главном направлении Ео, к напряженности поля в направлении противоположному главному

3. Коэффициент направленного действия в данном направлении называется отношение квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в данном направлении, к среднему значению квадрату напряженности поля.

D =Ео²/Еср², из формулы следует Ео² = D* Еср², т. е. числовое значение КНД

показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если

ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых

напряженностей поля в главном направлении.

4. Коэффициент усиления антенны называют отношение плотности потока

мощности или квадрата напряженности поля, созданного антенной в

направлении максимума излучения, к потоку или квадрату напряженности

поля, созданному эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам

мощностей.

G = Ео²/Еоэ².

Эквивалентная площадь, с которой антенна полностью поглощает энергию

волны, пришедшую с главного направления, и отдает в согласованную

нагрузку, называется действующей или эффективной площадью антенны.

Sэф = Dl²/4П

5. КПД

6. Волновое сопротивление антенны W=Uпад/Iпад

7. Входное сопротивление антенны Zвх = Rизл +Rпот +х_а

х_а – зависит от соотношения рабощей длины волны и длины вибратора. Для

вибратора l/2 Zвх = 73 Ом. Если длина вибратора >l/2 R носит индуктивный

характер, если <l/2, то емкостной характер.

8. Полосой пропускания называют область частот, на границах которой сигнал ослабляется на 3 дБ относительно максимума значения, при постоянной возбуждающей ЭДС.

9. Угол излучения или ширина ДН определяется как телесный угол, в пределах которого плотность потока энергии не изменяется больше чем в 2 раза.

10.
Действующая высота антенны характеризует, какая часть антенны в основном создает излучение. Определяется как высота прямоугольника, основание которого = Imaх, а площадь которого = площади ограниченной кривой распределения тока. Imaх – величина тока в месте включения генератора.

Imaх U =

По характеру ДН различают сильно и слабо направленные антенны. Крайним случаем слабонаправленных антенн являются всенаправленные антенны. Сильно направленные антенны излучают в узком телесном угле. Всенаправленные антенны излучают и принимают во всех направлениях примерно одинаково.

Выбор типа антенны зависит от назначения радиоаппаратуры и возможности реализации антенны данного типа в заданном диапазоне волн. Чтобы антенна формировала остронаправленную диаграмму направленности, она должна иметь большие размеры по сравнению с длиной волны. Остронаправленные антенны могут быть реализованы в диапазоне УКВ и КВ. Для радиовещания и телевидения применяются всенаправленные антенны в горизонтальной плоскости, т. е. в горизонтальной плоскости антенна излучает во всех направления одинаково. В конструктивном исполнении антенны разных диапазонов отличаются между собой. На ДВ и СВ применяются проволочные антенны. На СВ так же принимают антенны в виде башен. Антенн КВ и УКВ в простейшем случае выполняются в виде горизонтального или вертикального провода, длина которого пропорциональна длине волны. На дециметровых и сантиметровых волнах применяются рупорные антенны, диэлектрические, линзовые и параболические антенны. Непременным и обязательным условием излучения электромагнитной энергии является то, что антенна должна представлять собой открытый колебательный контур. Она должна быть системой с распределенными параметрами. В закрытом колебательном контуре, построенном на L и С, вся энергия электрического поля сосредоточена в конденсаторе, а энергия магнитного поля в катушки, т. е. они занимают очень малые объемы в пространстве, поэтому электромагнитная энергия не излучается. Двухпроводная линия так же не излучает, т. к. токи в проводах текут навстречу друг другу и создаваемые ими магнитные поля взаимно уничтожаются. Если развернуть двухпроводную линию, то силовые линии постоянного поля растянутся, захватывая большое пространство. Переменное электрическое поле вызовет появление переменного магнитного поля, лежащего в перпендикулярной плоскости, а переменное магнитное поле в свою очередь вызовет появление переменного электрического поля. Так будет происходить распространение электромагнитной энергии от антенны.

Если развернуть двухпроводную линию, она превращается в открытый колебательный контур, в котором могут происходить свободные колебания. Если к такому контуру подключить генератор, например – выходной усилитель мощности передатчика, в нем будут происходить не затухающие колебания. Антенна, полученная при разворачивании двухпроводной линии длиной l/4, называется симметричный полупроводниковым вибратором. Входное сопротивление антенн должно быть минимальным и чисто активным, тогда ее
будет легко согласовать с питающим фидером.

Собственная длина волны симметричного вибратора 2l = lо, т. к. скорость распространения электромагнитной энергии вдоль вибратора меньше скорости света, то в реальном вибраторе l = 0,47l. В самом вибраторе существует стоячие волны, а в свободном пространстве бегущие волны. Распространяющиеся от вибратора электромагнитная волна имеет определенную поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии распределяются в определенных плоскостях. Электрические силовые линии параллельны вибратору, а магнитные перпендикулярны к нему. Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Если вибратор расположен вертикально, то волна поляризована вертикально.

 

Фидеры

 

Линия, соединяющая антенну с передатчиком или приемником, называется фидером.

К фидерным линиям во всех диапазонов предъявляются следующие требования:

1. Потери энергии в фидере должны быть минимальными. Потери в фидере обусловлены нагревание проводников и изоляторов фидеров, а так же его излучением. Потери на нагревание уменьшаются путем применения проводников с высокой проводимостью и изоляторов с малыми диэлектрическими потерями. Способность фидера к излучению или приему называется антенным эффектом фидера.

2. Фидерная линия должна быть достаточно хорошо согласована с антенной, т. е. работать в режиме бегущей волны. Согласованный фидер имеет чисто активное входное сопротивление, равное его волновому сопротивлению. Входное сопротивление согласованного фидера не зависит от его длины.

В не согласованной линии появляется фидерное эхо, обусловленное наличием отраженной волны, которая после частичного отражения от начала фидера попадает в нагрузку.

 

Симметричные фидеры

 

В коротковолновых системах чаще используют симметричные фидеры, т. к. коротковолновые направленные антенны в основном являются симметричными и оконечные каскады передатчиков, имеющих симметричный выход. Симметричные фидеры выполняются в виде двухпроводных и много проводных линий из медного или биметаллического провода.

Волновое сопротивление фидера

, где

D1 – расстояние между проводами

d – диаметр проводов

При D1/d > волновое сопротивление определяется по следующей формуле:

Волновое сопротивление четырех проводного фидера:

,где

D1 – расстояние между разно полярными проводами,

D2 – расстояние между однополярными проводами,

d – диаметр проводов.

Активное сопротивление на единицу длины двухпроводного фидера, выполненного из медного или биметаллического провода:

Активное сопротивление четырех проводного фидера вдвое меньше

КПД: , a = R/2Wф – коэффициент затухания

Двух- и четырех проводные фидеры имеют одинаковые коэффициенты затухания и равные КПД.

Двухпроводный фидер с точки зрения антенного эффекта эквивалентен одновитковой рамке с площадью, равной S = lD1, l – длина фидера; D1 – расстояние между проводами. Для уменьшения антенного эффекта фидера необходимо уменьшить расстояние между проводами.

Волновое сопротивление перекрещенного фидера:

Четырех проводный перекрещенный фидер обладает малым антенным эффектом.

 

Коаксиальные фидеры

Симметричный двухпроводный фидер в диапазоне СВЧ работает со значительными потерями мощности на излучение, т. к. расстояние между проводами линии становится соизмеримы с длиной волны. В этом диапазоне в качестве фидера применяют коаксиальные линии и волноводы, в которых передаваемое электромагнитное поле сосредоточено внутри полой металлической трубы.

В коаксиальном фидере положение центрального проводника фиксируется диэлектрическими шайбами. Шайбы выполняются из изолятора с малыми потерями, а объем их стремятся уменьшить.

Если расстояние между шайбами взять 0,5l или кратным 0,5l, то волны отраженные от каждой шайбы, совпадают по фазе и могут создать недопустимо большую отраженную волну. Чтобы уменьшить отраженную волну расстояние между соседними шайбами нужно подчинить закону случайных чисел.

Волновое сопротивление такого фидера будет равно:

, где

а – коэффициент заполнения диэл. внутреннего пространства фидера,

- относительная диэлектрическая проницаемость

Активное сопротивление:

Рупорная антенна.

 

Применяется в сантиметровом диапазоне (в качестве антенны)

 

Рупорные антенны могут быть пирамидальными - в которых волновод расширяется вдоль обеих стенок, сектореальными - в которых расширяется одна стенка волновода и коническими - которые сопрягаются с круглым волноводом.

Если излучать из открытого конца волновода, то в волноводе получается режим стоячих волн, так как волновое сопротивление воздуха равно 377 Ом, оно не равно волновому сопротивлению волновода.

Рупор согласовывает волновое сопротивление волновода и воздуха.

В волноводе, возбуждающем рупор, используются основные типы волн: в прямоугольном волноводе Н10, в круглом Е11.

Если в секториальном рупоре увеличивать размер R, то площадь раскрыва увеличивается. Коэффициент использования плоскости раскрыва – уменьшается.

Диаграмма направленности зависит от длины рупора, угла раскрыва и частоты излучаемых колебаний. С увеличением длины рупора l и угла раскрыва g диаграмма направленности получается более острой.

Достоинства антенны: простота устройства и малые боковые лепестки, широкий диапазон излучаемых волн. Так как волновод работает в режиме бегущих волн, то он пропускает всю мощность, излучаемую передатчиком => антенна обладает высоким КПД. Так же как и в любом волноводе, антенна пропускает волны критической длины.

В основном рупорные антенны применяются в качестве излучателей в рефлекторной антенне, а также в качестве элементов антенной решетки.

 

 

Щелевая антенна

 

Называются также дифракционными. Представляют собой систему узких щелей, прорезанных в волноводе или объёмном резонаторе. Если в бесконечно большой проводящей поверхности прорезать узкую щель l/2 длиной, то если к этой щели подвести питание она будет излучать. Она будет аналогична короткозамкнутой двухпроводной линии, на конце которой узлы напряжения и пучности тока. Магнитное поле щели перпендикулярно токам смещения, т.е. направлено вдоль щели. По параметрам щелевая антенна эквивалентна симметричному вибратору. Отличие состоит в том, что горизонтальная щель излучает вертикально поляризованные волны.

Условием излучения электромагнитной энергии щелями, прорезанными в волноводе, является пересечение линий токов перпендикулярными щелями. Щели можно прорезать и в узкой и в широкой стенке, в тех сечениях, где расположены максимумы токов. Чтобы щели питались синфазно, максимумы токи в этих щелях должны наблюдаться одновременно.

 

Вдоль узкой стенки, щели прорезаются на расстоянии lволноводное. Вдоль узкой стенки могут быть прорезаны только продольные щели. Вдоль широкой стенки могут быть прорезаны как продольные, так и поперечные щели. Щели возбуждаются электромагнитной волной, распространяющейся в волноводе. Вдоль широкой стенки текут как продольные, так и поперечные токи. Если щели возбуждаются продольными токами, то для того чтобы они возбуждались синфазно, они должны быть прорезаны на расстоянии lволн. Если щель возбуждается поперечными токами, щели прорезаются по разным сторонам от середины широкой стенки на равных расстояниях (lв/2).

Щель аналогична симметричному вибратору. Разной является только поляризация.

 

Диэлектрическая антенна (ДА)

 

ДА представляет собой диэлектрический стержень, сужающийся к концу, который возбуждается с помощью подсоединенной к нему коаксиальной линии. Чтобы излучение было в одну сторону на ДА одевается гильза (металлический стакан)

 

 

Принцип направленного излучения диэлектрической антенны основан на явлении отражения электромагнитной энергии от границы раздела двух сред, диэлектрические проницаемости которых различны. В качестве такой антенны применяются стержни из полистирола на волнах 20 – 30 см. Возбуждаются колебания внутренним проводом коаксиального кабеля. Энергия, отраженная от границы раздела двух сред, двигается в направлении острого конца. Энергия частично за счет лучей, падающих под углом 90⁰, переходит в свободное пространство. Для лучшей направленности излучения и уменьшения излучения через боковые стенки, стержень делают конусообразным, а конец его закругленным. Увеличение длины стержня и его поперечного сечения увеличивает направленные свойства.

 

Перископическая антенна

 

Для увеличения расстояния прямой видимости с учетом рельефа местности на радиорелейных линиях антенны устанавливают на опорах большой высоты 20 – 120 метров. Возможны различные схемы построения перископической антенны.

На рисунке 1 приведена схема перископической антенны, состоящей из параболического рефлектора (1) с облучателем (2), расположенным на земле, и плоского верхнего зеркала – переизлучателя (3), установленного на башне. Верхнее зеркало переизлучает энергию в направлении на приемную станцию, для этого оно устанавливается под углом 450 к вертикали. Раскрыв верхнего зеркала главного излучения обычно выполняются в форме круга. Такая форма раскрыва имеет меньший уровень боковых лепестков, чем прямоугольная. Этот вариант удобен при расположении нижнего параболического рефлектора на крыше здания, так как в этом случае сокращается длина фидера. В данной схеме построения перископической антенны нижнее зеркало трудно защитить от осадков (снег, гололед), которые могут вызывать значительные поглощения электромагнитной энергии.

 

В перископической антенне, показанной на рисунке 2, нижнее параболическое зеркало 1 имеет относительно большое фокусное расстояние. Это позволяет облучатель 4, в виде рупора, расположить непосредственно в помещении аппаратной, сократив длину фидера. В данной системе меньше обратная реакция рефлектора 1 на облучатель, поскольку, он вынесен из поля действий отраженной волны.

В перископической антенне на рисунке 3 нижнее зеркало 5 выполнено в виде части поверхности эллипсоида, в фокусах которого f1 и f2 располагаются рупорный облучатель 4 и центр верхнего зеркала 3. В этой антенне передача энергии от нижнего зеркала к верхнему происходит с большим коэффициентом полезного действия. Для создания синфазного поля в раскрыве верхнего зеркала оно должно быть параболическим с фокусом в фазовом центре рупорного облучателя. При больших высотах установки верхнего зеркала его кривизна должна быть мала и оно может быть выполнено плоским.

Достоинства: относительная простота ее конструкции, отсутствие длинных фидерных трактов, достаточно высокий КПД.

Недостатки: слабое защитное действие (50-55 дБ) повышенный уровень боковых лепестков в диаграмме направленности и прием нижним рефлектором сигналов, отдаленных от тела мачты.

Коэффициент усиления относительно изотропного излучения

G=G₀hn_вh_обл = 4p hn_вh_обл, где

Sв – площадь раскрыва верхнего зеркала

h - коэффициент полезного действия передачи энергии от нижнего зеркала к верхнему.

n_в – коэффициент использования площади раскрыва верхнего зеркала

h_обл – коэффициент полезного действия облучателя, обычно равный 0,8 – 0,9.

Особенности распространения радиоволн поверхностным и пространственным лучом

 

Поверхностный луч распространяется вдоль поверхности земли. При распространении радиолуча в диапазоне ДВ он претерпевает затухания от слоя D. Чем короче длина волны, тем больше она (волна) поглощается почвой и тем глубже она проникает в ионосферу. Ионосфера условно разделяется в зависимости от концентрации свободных электронов на слои: D, E, F1, F2. Самой меньшей концентрацией зарядов обладает самый нижний слой D, который ночью исчезает, т. к. происходит полная рекомбинация электронов с ионами. Чем выше слой, тем больше солнечной энергии проникает в него, тем больше образуется свободных электронов, следовательно, выше плотность свободных носителей. Выше слоя F2 (450 км) плотность свободных носителей уменьшается, т. к. уменьшается количество частиц способных к ионизации. Плотность слоев ионосферы ночью значительно меньше, чем днем, за счет рекомбинации электронов и ионов. Чем короче длина волны, тем выше она приникает в ионосферу.

 

d (1/м)

суша

 

морская вода

l (м)

График изменения коэффициента поглощения электромагнитной волны в зависимости от ее длины

 

Распространение поверхностных волн объясняется явлением дефракции, т. е. Способностью огибать препятствия и неровности земли, размеры которых меньше длины волны, следовательно, чем больше l, тем больше дальность распространения волн поверхностным лучом. Энергия электромагнитных волн убывает как в результате сферического рассеивания свойственным поверхностным и пространственным волнам, так и в результате поглощения электромагнитной энергии земной поверхностью. Условие распространения поверхностной волны в значительной мере зависит от рельефа местности, электрических характеристик земной поверхности и длины волны. Электрическими параметрами является диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость. Земная поверхность не является идеальным проводником, поэтому энергия поверхностных волн частично поглощается. Поглощение объясняется тем, что электромагнитная энергия поверхностного луча наводит в почве переменные ток. При протекании этого тока в почве появляются тепловые потери. Чем короче длина волны, тем в более узком слое концентрируются токи на границе раздела воздуха и почвы, следовательно, увеличивается сопротивление и потери. При распространении радиоволн над морем потери меньше, т. к. морская вода обладает большей проводимостью, чем суша.

 

Пространственный луч формируется ионосферой, которая состоит из отдельных условно обозначенных слоев ионизированных газов. Основным источником ионизации является солнечная энергия. Меньшая концентрация зарядов в слоях D, E, F1 по сравнению с F2 объясняется недостатком солнечной энергии. Меньшая концентрация выше слоя F2 объясняется отсутствием частиц способных к ионизации. Ночью слой D исчезает, ионизация других слоев значительно уменьшается. Наиболее устойчивым является слой F2, который сохраняется все время, т. к. ночью электроны и ионы не успевают рекомбинировать. Под действием электромагнитного поля в ионосфере возникает упорядочное движение электронов, которому препятствует столкновение с частицами газа. Потерянная при этих столкновениях энергия электронов восстанавливается за счет энергии электромагнитного поля. Потери энергии тем больше, чем больше вероятность столкновения электронов с частицами газа. Эта вероятность возрастает с увеличением концентрации электронов и длины пробега электронов в данном направлении, т. е. С ростом периода колебания и, следовательно, длины волны. Изменение концентрации электронов по высоте позволяет рассматривать ионосферу как среду с изменяющейся проницаемостью, уменьшающаяся по мере роста высоты. При переходе волны из одной среды в другую наблюдается явление преломления.

a₂ a₂>a₁, если

Е1 Е1> Е2

Е2

a₁

 

Т. к. диэлектрическая проницаемость ионизированного слоя плавно уменьшается с высотой, то при некоторых условиях может произойти полное отражение пространственного луча на землю. Наибольшая частота, при которой излученная вертикально вверх электромагнитная волна способна возвратиться на землю называется критической частотой слоя

,

где N – число свободных электронов с см³

е – заряд электрона (4,7*10^-10Кл)

m – масса электрона (9*10^-28 гр.)

f – частота

Критическая частота слоя F2 днем = 10МГц, ночью = 5МГц. Угол при котором электромагнитная энергия еще отражается от ионосферы называется критическим для данной частоты. Состояние ионосферы влияет на напряженность поля пространственного луча. Напряженность поля поверхностного луча не зависит от состояния ионосферы.