Прием и передача радиосигналов

ПРИЕМ И ПЕРЕДАЧА РАДИОСИГНАЛОВ

Электромагнитные волны (радиоволны)

Свойства радиоволн

Передача сообщений на расстояние без проводов осуществляется с помощью электромагнитных волн (радиоволн), т.е. распространяющихся в пространстве электромагнитных полей. Электромагнитное поле – это совокупность переменных электрического и магнитного полей. Основной характеристикой электрического поля является его напряженность Е, которая представляет собой силу, действующую со стороны поля на единичный положительный электрический заряд. Напряженность электрического поля зависит от диэлектрической проницаемости e среды, в которой существует поле. Величина e показывает, во сколько раз напряженность электрического поля в данной среде отличается от напряженности поля в вакууме.

Основной характеристикой магнитного поля является его напряженность Н, представляющая собой отношение магнитной индукции В к магнитной проницаемости m среды, в которой существует поле. Индукцией магнитного поля называется сила, действующая со стороны поля на единичный положительный электрический заряд, движущийся с единичной скоростью перпендикулярно к магнитным силовым линиям. Величина m показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в данной среде отличается от индукции поля в вакууме.

Величины Е и Н являются векторными, т.е. величинами, которые характеризуются не только числовыми значениями, но и направлением. Векторы Е и Н перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Ориентировка в пространстве вектора Е определяет поляризацию радиоволны. Различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации.

Радиоволна называется линейно поляризованной, если вектор электрического поля Е в каждой точке вдоль линии распространения лежит в одной плоскости, называемой плоскость поляризацией. В зависимости от расположения плоскости поляризации различают вертикальную и горизонтальную поляризацию. При круговой поляризации конец вектора электрического поля с течением времени описывает окружность, а при эллиптической – эллипс.

На рис.1.1 изображены графики изменения в пространстве напряженностей электрического и магнитного полей электромагнитной волны, распространяющейся в направлении ОХ, и имеющей вертикальную линейную поляризацию.

Рис.1.1 Структура электромагнитной волны

В любой точке пространства напряженность электрического (и магнитного) поля изменяется во времени по синусоидальному закону:

E (t)= E _msin(w t –y₀),

где E (t) – значение напряженности электрического поля в момент t;

E _m – амплитуда напряженности электрического поля;

w – круговая частота колебания;

y₀ – начальная фаза колебания, т. е. значение фазы при t = 0.

В дальнейшем значение начальной фазы высокочастотного колебания y₀ принимается равным нулю. Для синусоидального или так называемого гармонического колебания справедливы следующие соотношения:

где f – частота колебаний, выражаемая числом колебаний в секунду;

Т – период колебаний, т. е. наименьший интервал времени, в течение которого проходит полный цикл изменения косинусоидальной величины;

l – длина волны колебаний, т.е. путь, проходимый волной за время Т;

v – скорость распространения электромагнитной волны, принимаемая в вакууме равной скорости света с = 300 000 км/с.

В среде с диэлектрической e и магнитной m проницаемостями скорость распространения волн .

Законы распространения радиоволн

Распространяющиеся электромагнитные волны характеризуются фронтом волны, который представляет собой поверхность, в каждой точке которой фаза распространяющейся волны имеет одно и то же значение. Обычно считают, что волны являются сферическими или плоскими, т.е. их фронт представляет собой либо сферу, либо плоскость. Все электромагнитные волны подчиняются общим законам.

Явление дифракции

Дифракцией называется способность радиоволн огибать выпуклость земного шара неровности земли и другие препятствия (рис.1.3).

Чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствия, тем сильнее выражена дифракционная способность радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся вокруг земного шара и огибающие его вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных радиоволн.

Явление рефракции

Если радиоволна распространяется в среде с непрерывно меняющейся диэлектрической проницаемостью e, то вследствие изменения скорости распространения радиоволны происходит искривление ее траектории. Причем кривизна траектории определяется степенью неоднородности среды.

Явление интерференции

При взаимодействии в некоторой точке пространства двух радиоволн, созданных одним источником, но прошедших различные пути. Эти волны будут иметь в точке приема различные фазы. При сложении таких радиоволн может произойти их взаимное усиление или ослабление.

По способу распространения радиоволны подразделяются на три группы: прямые, поверхностные и пространственные (рис.1.4). Прямыми называются волны, распространяющиеся между источником излучения и приемником по прямой (лин. 1 на рис.1.4). Поверхностными называются волны, которые распространяются вдоль поверхности Земли и частично огибают ее (лин. 2). Пространственными называются волны, распространяющиеся путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли (лин. 3).

 

Диапазоны радиоволн

Применяемые в радиотехнике волны с учетом особенностей их распространения и способов генерирования принято делить на отдельные диапазоны. Принятое в настоящее время деление радиоволн на диапазоны приведено в табл.1.

 

 

Таблица 1

Диапазон радиоволн	Длина волны	Частота
Длинные волны (ДВ) Средние волны (СВ) Короткие волны (КВ) Ультракороткие волны (УКВ) а) метровые б) дециметровые в) сантиметровые г) миллиметровые	Свыше 3000 м 3000 – 200 м 200 – 10 м   10 – 1 м 1 м – 10 см 10 – 1 см Короче 1 см	Менее 100 кГц 1,5 МГц – 100 кГц   30 – 1,5 МГц 300 – 30 МГц 3000 – 300 МГц 30000 – 3000 МГц свыше 30000 МГц

Рупорная антенна

Используется чаще всего в качестве приемной антенны с широкой диаграммой направленности в сантиметровом диапазоне волн, а также в качестве облучателя параболических антенн.

Рупорная антенна представляет собой волновод, у которого плавно расширяются стенки (рис.1.12). В результате этого плавно изменяется волновое сопротивление волновода. Иными словами, рупорная антенна служит трансформатором сопротивлений и согласует волновые сопротивления волновода и открытого пространства. При таком согласовании улучшаются условия работы СВЧ генераторов вследствие уменьшения отражений в волноводе.

Ширина диаграммы направленности рупорной антенны зависит от величины раскрыва и от длины волны. Эта зависимость имеет тот же характер, что и у параболической антенны .

Однако получение больших раскрывов у рупорных антенн затруднено, вследствие того, что угол раскрыва a (рис.1.12) не может превышать 15 – 20°. В противном случае свойства рупора как трансформатора сопротивлений ухудшаются. В результате габариты рупора получаются значительными, что неприемлемо для авиационных условий.

Рис.1.12. Рупорная антенна

Другие типы антенн

Кроме перечисленных типов антенн, авиационная радиотехника использует ряд других типов. Среди них можно назвать спиральные антенны, диэлектрические, линзовые, щелевые, антенны поверхностных волн и т.д. Эти антенны обладают некоторыми преимуществами по сравнению с другими типами антенн, которые используются в специальной аппаратуре. Например, спиральные антенны могут принимать электромагнитные волны при любой поляризации волны. Линзовые антенны позволяют получить узкие диаграммы при уменьшенных габаритах. Антенны поверхностных волн и щелевые имеют конструкцию, позволяющую легко монтировать их на корпусе воздушных судов, не вызывая увеличения сопротивления встречному потоку воздуха.

 

Радиосигналы

Спектры сигналов

Важной характеристикой каждого сигнала является его спектр, определяющий распределение амплитуды сигнала по частотам. Математически спектр сигнала описывается спектральной плотностью, которая представляет собой преобразование Фурье от временной функции сигнала:

.

Таким образом, если известно выражение сигнала как функции времени, то можно определить его спектр. Наиболее простым является спектр гармонического колебания u (t) = U ₀ cosw₀ t, представляющий собой одну составляющую на частоте w₀ (рис.1.17,а). Для определения частотных составляющих спектра амплитудно-модулированного сигнала u _АМ(t) = U ₀ (1+ m cosΩ t) cosw₀ t достаточно произвести простые преобразования.

u _АМ(t) = U ₀ (1+ m cosΩ t) cosw₀ t = U ₀ cosw₀ t + U ₀ m cosΩ t cosw₀ t.

Так как , то можно записать

.

Как можно видеть, данный сигнал образован тремя слагаемыми с разными частотами: колебаниями на несущей частоте w₀ и двумя боковыми составляющими с частотами w₀+Ω и w₀–Ω. Таким образом, спектр этого сигнала состоит из трех составляющих – центральной (несущей) с амплитудой U ₀, и двух боковых с амплитудами mU ₀/2 (рис.1.17,б).

 

Рис. 1.17. Спектры колебаний: а) простого гармонического; б) амплитудно-модулированного при модуляции одним тоном

 

Разность частот крайних составляющих спектра называется шириной спектра Δw_сп. Ширина рассматриваемого спектра равна удвоенному значению частоты модуляции (Δw_сп =2Ω).

Управляющий (модулирующий) сигнал может иметь более сложный вид, чем рассмотренный выше. Человеческая речь, например, представляет собой случайный сигнал, заключенный в определенной полосе частот [Ω_min Ω_max]. Спектр высокочастотного амплитудно-модулированного сигнала в данном случае будет включать несущую и боковые составляющие с шириной
DW = Ω_max – Ω_min каждая и случайной амплитудой (рис.1.18). Ширина спектра такого сигнала равна 2Ω_max.

 

Рис. 1.18. Спектр амплитудно-модулированного колебания
при модуляции голосом

Спектр частотно-модулированного и фазомодулированного сигналов теоретически бесконечно широк. При модуляции по синусоидальному закону с частотой W спектр включает несущую частоту w₀ и бесконечно большое число боковых составляющих, частоты которых равны w₀± n W, а n принимает все целые значения от единицы до бесконечности. Однако при увеличении n амплитуды составляющих спектра быстро уменьшаются. Если считать, что ширина спектра ЧМ или ФМ сигнала ограничивается диапазоном частот, в пределах которого амплитуды составляющих спектра уменьшаются до 0,01 от амплитуды несущей, то ширину спектра (рис.1.19) можно принять равной удвоенному значению девиации частоты:

 

Δw_сп =2Δw_м.

Рис. 1.19. Спектр фазо- или частотно-модулированного радиосигнала
при модуляции одним тоном

ПРИЕМ И ПЕРЕДАЧА РАДИОСИГНАЛОВ