Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
2 ионосферы При повышении электронной концентрации в годы максимума активности Солнца при появлении в слое F 2 неоднородностей с повышенной электронной концентрацией вследствие их движения (в том числе вихревого) наблюдается уменьшение граничной дины волны (гр) отражения от этого слоя, что способствует дальнему распространению УКВ метрового диапазона волнах длиной 10...6 м. При одном отражении от слоя F 2 перекрывается расстояние по поверхности Земли в 3500...4000 км, а зона молчания (рис. 37) составляет не менее 200 км. Рисунок 37. Отражение от спорадического слоя Е. В ионосфере на высотах 90... 110 км иногда возникает нерегулярный, спорадический слой Ев котором концентрация электронов достаточно велика для отражения метровых волн. Чаще всего он появляется в дневные часы летом в южных широтах. Для средних широт число дней в месяце когда появляется слой Ев зависимости от времени суток и от сезона, показано на рис. 37. При отражении от слоя Е могут перекрываться расстояния до 2000 км. Рассеяние на неоднородностях ионосферных слоев Отражение от слоев Е, F 2 не может обеспечить регулярной радиосвязи на УКВ. Поэтому начиная с х годов проводились поиски других способов 51 ионосферной УКВ-радиосвязи. Одним из них стало использование эффекта рассеяния ЭМВ на неоднородностях в ионизированных слоях. Экспериментальные наблюдения эффекта рассеяния метровых волн показали, что более эффективен для передачи диапазон частот 30...60 МГц. Этот способ предъявляет жесткие требования к применяемой аппаратуре. Передатчик должен иметь значительную мощность. Например для одноканальной телеграфной связи в арктических условиях на частоте МГц необходима мощность передатчика не менее кВт. Для устранения воздействия мешающих отражений от слоя Е и повышения мощности излучения необходимо применение остронаправленных антенн с ширинойдиаграммы направленности не более 8° и относительно узкой полосы пропускания приемника (не более 2 кГц. Эффект отражения метровых волн от следов метеоров Как известно, атмосфера Земли непрерывно бомбардируется метеорами—мелкими космическими телами (до миллиарда в сутки. Атомы движущегося с космическими скоростями испаряющегося метеорного вещества сталкиваются с молекулами атмосферного газа, в результате чего из атомов выбиваются электроны и происходит местная ионизация. Наиболее интенсивно этот процесс идет на высотах 90...110 км. За каждой частицей возникает ионизированный след, вначале узкий, затем быстро расширяющийся. Длина следа составляет 15...20 км. След существует не более с. Наблюдения метеоров с помощью локационных средств привели к идее использования отражений радиоволн от следов метеоров для радиосвязи. Одной из особенностей таких линий связи является дискретность их работы, вытекающая из того, что метеорные следы существуют короткое время. Создана аппаратура, с помощью которой передача информации происходит только вовремя присутствия достаточно интенсивных метеорных следов. Предельная протяженность метеорной радиолинии составляет км. Наиболее эффективные частоты 30.. .80 МГц. 52 Особенности распространения радиоволн дециметрового, сантиметрового, миллиметрового и оптического диапазонов. Дециметровый диапазон волн занимает 0,1... 1 м, что соответствует диапазону частот 300.. .3000 МГц. Характерными для распространения дециметровых волн в атмосфере Земли являются такие эффекты, как рефракция и запаздывание (фазовое и групповое. Рефракцию необходимо учитывать при определении угловых координат космического объекта, так как вследствие рефракции углы прихода радиоволн измеряются с ошибкой, которую называют рефракционной. На частотах до 300 МГц тропосферные и ионосферные рефракционные ошибки соизмеримы. На частотах свыше 400 МГц ионосферная рефракционная ошибка уже мала по сравнению с тропосферной. И таи другая ошибки зависят от угла прихода радиоволны (те. от угла между плоскостью горизонта, проведенной через точку прихода, и касательной к траектории волны в точке прихода. Чем меньше угол прихода, тем больше искривляется траектория волны и тем больше рефракционная ошибка (рис. 38). Рисунок 38. На рис. 38 угол истинный угол прихода Δφ — рефракционная ошибка. Угол о φ + Δφ называют видимым или кажущимся углом прихода. Радиус кривизны траектории радиоволны ρ т.в. в атмосфере, как правило, постоянен и при обычных метеорологических условиях равен примерно 25000 км. Иногда в тропосфере складываются необычные метеоусловия приводящие к тому, что 53 где а э - радиус Земли. При этих условиях имеет место полное внутреннее отражение радиоволны в тропосфере, и радиоволна, посланная с поверхности Земли под малым углом φ, описывает дугу. и возвращается на Землю. Если в точке встречи Земля достаточно гладкая, радиоволна снова отражается, описывает вторую дугу и т. д. (рис. 39). Рисунок 39. Явление, при котором волна распространяется вдоль поверхности Земли, подобно тому, как это происходит в металлическом волноводе, называется сверхрефракцией, а естественный волновод — тропосферным волноводом. Для волноводного типа распространения радиоволн необходимы определенные метеорологические условия. Такие условия складываются чаще всего над морем вблизи побережья в диапазоне расстояний до 500.. .800 км и высот от нескольких сантиметров до сотен метров. Для сформировавшегося тропосферного волновода (ТВ) определенной высоты h в характерна некоторая критическая длина волны (кр, такая, что волны с длиной кр быстро затухают и не распространяются в ТВ. Значение критической длины волны связано с высотой ТВ следующим соотношением Отсюда можно видеть, что волноводное распространение характерно в основном для дециметровых, сантиметровых и отчасти метровых волн. Для сантиметрового диапазонам. Характерно, что такие атмосферные радиоэффекты, как ионосферная рефракция, в нем практически не проявляются. Однако тропосферная рефракция имеет место. Так как длины волн сантиметрового ив особенности миллиметрового диапазонов соизмеримы с размерами частиц среды (капли воды, присутствующие в виде тумана или дождя, в данных диапазонах заметно проявляются эффекты поглощения и рассеяния. Поглощение радиоволн капельками воды происходит из-за того, что при прохождении радиоволны через такую среду в каждой капельке наводятся токи поляризации, вызывающие тепловые потери. Эти потери возрастают с уменьшением длины волны и уменьшаются с ее увеличением. При λ>10 см поглощение ничтожно мало. 54 Кроме того, потери происходят из-за рассеяния радиоволн капельками воды, движение токов, наведенных первичной волной в капельках, индуцирует вторичное излучение, причем каждая капелька излучает равномерно во всех направлениях. Это приводит к рассеянию, поскольку не вся энергия передается в первоначальном направлении. Миллиметровые волны кроме рассмотренных видов поглощений испытывают добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. Это поглощение связано стем, что энергия волны переходит во внутримолекулярную энергию. Оптический диапазон волн, воспринимаемый человеческим глазом, занимает мкм. Волны оптического диапазона могут фокусироваться линзами и зеркалами, менять направление при отражении и преломлении, разлагаться призмами в спектр. При использовании этого диапазона для связи преимуществом является возможность передачи большого количества информации, так как спектр этого диапазона волн достаточно широк. Системы оптической связи обладают хорошей помехозащищенностью благодаря невосприимчивости к широкому классу помех. В тоже время оптические волны испытывают значительное ослабление при прохождении через атмосферу, особенно если она насыщена пылью и водяными парами. Излучающие и отражающие предметы, встречающиеся на пути распространения оптических волн, создают шумовой фон, мешающий нормальной работе оптических систем. Кроме поглощения в оптическом диапазоне наблюдается эффект рассеяния. Так как размеры молекул среды сравнимы с длиной волны, молекулы переизлучают энергию как элементарные независимые излучатели. Поэтому можно считать, что излучение от всех молекул пропорционально их числу. Явление рассеяния приводит к ослаблению передаваемой мощности. Подобно радиоволнам, оптические волны подвергаются рефракции и сверхрефракции в атмосфере, но оптические волны рефрагируют меньше, чем радиоволны. Радиус кривизны траекторий оптической волны составляет около 50000 км. В оптическом диапазоне явление сверхрефракции наблюдается реже, чем в радиодиапазоне. Со сверхрефракцией связаны явления миражей. Меньшая рефракция объясняется тем, что в оптическом диапазоне влиянием на коэффициент преломления водяного пара, содержащегося в воздухе, можно пренебречь, так как ориентация молекул воды не успевает меняться с частотой оптического поля. В условиях нормальной рефракции расстояние прямой видимости в оптическом диапазоне несколько меньше, чем в радиодиапазоне. Формула для оптического диапазона (в километрах) примет вид 55 1.6. Особенности космической связи. УКВ-радиолинии с использованием ИСЗ. Создание систем для запуска спутников, разработка передатчиков большой мощности и антенн с большим КНД, использование малошумящих усилителей, резко повышающих чувствительность приемных устройств, позволили решить задачи использования ИСЗ для дальней радиосвязи, передачи телевизионных сигналов, наблюдения за погодой на больших участках земной атмосферы, исследования дальнего космоса и т. д. Спутниковая радиолиния состоит из наземных приемной и передающей станций и бортового радиооборудования спутника, работающего как пассивный или активный ретранслятор. Пассивные ретрансляторы (ПР) долговечны и надежны, но требуют чрезвычайно мощных наземных передатчиков, сложных АФУ с большими КНД, так как мощность сигнала Р в приемной антенне ослабляется в пропорции где Р мощность передатчика r 1 , r 2 расстояния от передающей антенны до ИСЗ и от ИСЗ до приемной антенны. Например, при расположении ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО) для нормальной работы радиолинии через ИСЗ должно быть реализовано отношение Р 2 /Р 1 менее 10 Активные ретрансляторы (АР) подразумевают установку на ИСЗ антенных и приемно-передающих устройств, что снижает надежность и долговечность их работы. Но зато АР не требуют очень большой мощности наземных и бортовых передатчиков, позволяют передавать больше информации в единицу времени, могут запоминать передаваемую информацию и затем выдавать ее в нужное время на запланированный участок территории Земли. Ретрансляция, разумеется, возможна только тогда, когда ИСЗ находятся в пределах прямой видимости от передающей и приемной наземных станций. Зона видимости существенно расширяется при увеличении высоты спутника до 8000 км. Дальнейшее увеличение высоты полезный эффект практически не приносит. В качестве рабочих частот в линиях спутниковой связи пригодны только частоты УКВ-диапазона, причем оптимальные сточки зрения ослабления сигнала и уровня помех—частоты 2000... 6000 МГц. 56 Примером ИСЗ с активными ретрансляторами являются спутники типа Молния (эллиптическая орбита с перигеем 497 км и апогеем 39380 км период обращения вокруг Земли 11 ч 48 мин. Прием передач через них ведется наземными станциями Орбита со следящей системой. По системе Орбита производится ретрансляция одной телепрограммы и большого числа двусторонних телефонных и телеграфных передач вовсе районы СНГ. Другими примерами являются отечественные спутниковые системы передачи информации Москва, Горизонт, международная — «Интелсат» и другие, ИСЗ которых размещаются на ГСО. Космические УКВ-радиолинии. Такие радиолинии обеспечивают решение следующих основных задач связь космических аппаратов (КА) между собой и с Землей радионаблюдение за полетом КА управление полетом КА с Земли передача с КА радиотелеметрической информации (результатов измерений режимов работы аппаратуры, параметров траектории КА, других технических данных передача результатов изучения космоса, поверхностей и атмосфер планет, сбора метеорологических данных и т. д. Диапазон частот, пригодный для работы космической радиолинии Земля — КА или Земля — ИСЗ, ограничен поглощающими или отражающими свойствами атмосферы. Радиоволны с длиной волны λ> 10 м отражаются от ионосферы и непригодны для радиосвязи с объектами, находящимися за ее пределами. Ослабление радиосигнала в ионосфере убывает с возрастанием рабочей частоты. Если f раб МГц, то ослабление не превышает 0,1 дБ при проходе ЭМВ через всю толщу ионосферы. Вовремя солнечных вспышек оно возрастает. Рассеяние поля радиоволны ионосферными неоднородностями и интерференция прямых и рассеянных волн приводят к замираниям амплитуды радиосигналов, прошедших через ионосферу. Влияние рассеяния уменьшается с увеличением рабочей частоты и на волне λ=10 см, например, глубина замираний не превышает нескольких десятков долей децибела. Верхняя граница частот, применяемых на космических радиолиниях, зависит от ослабления волн в тропосфере и составляет примерно 10 ГГц. 57 Вопросы для самопроверки 1. Из каких слоев состоит атмосфера Земли 2. Какие процессы происходят в каждом слое атмосферы 3. Как влияет ионосфера на распространение радиоволн 4. Как рассчитать электрическое поле земной волны 5. В чем заключается особенность распространения волн СДВ и ДВ диапазона 6. По каким формулам рассчитывается электрическое поле пространственной волны 7. Как влияют геофизические явления на распространение волн СДВ и ДВ диапазона 8. Какие особенности распространения имеют волны СВ диапазона 9. В чем отличие распространения волн СДВ и ДВ диапазона от СВ диапазона 10. Что такое рикошетирующий механизм распространения волне 11. Какие сигналы называются сигналами возвратно наклонного зондирования 12. Какие особенности распространения имеют волны ДМВ диапазона 13. Какие условия необходимы для осуществления радиосвязи на КВ 14. Чем отличаются дневные волны от ночных Когда возникает промежуточная волна 15. Что такое зона молчания Где она возникает 16. Как рассчитывается внешний и внутренний радиус зоны молчания 17. Что является причиной возникновения замирания сигнала 18. Какие методы применяются для борьбы с замираниями 19. Как возникает радиоэхо Что необходимо предпринять, чтобы устранить это явление 20. Как влияют геофизические явления на распространение волн КВ диапазона 21. Ближнее распространение УКВ. 22. Дальнее распространение УКВ. 23. Особенности распространения радиоволн УВЧ, СВЧ, КВЧ и оптического диапазонов. 24. Причины сверхдальнего распространения МВ. 58 2. Фидеры. 2.1. Классификация и характеристики фидеров. Параметры линий Провода линии обладают индуктивностью, величина которой зависит от их геометрических размеров, формы и взаимного расположения, те. от конструкции линии. Между двумя проводами линии существует взаимная емкость и активная утечка. Кроме того, провода линии имеют активное сопротивление. Каждый очень короткий участок линии Δl обладает малыми значениями индуктивности ΔL, емкости С, активной утечки ΔG и активного сопротивления ΔR. Следовательно, индуктивность, емкость, активное сопротивление и утечка линии распределены по ее длине. Поэтому линию называют электрической цепью с распределенными параметрами. Под параметрами линии понимают ее емкость, индуктивность, активное сопротивление и утечку. Для удобства анализа и расчета линий введены понятия погонной емкости, индуктивности, активного сопротивления и активной утечке, которые называются первичными параметрами линии. Погонной индуктивностью L 1 называется индуктивность единицы длины линии. Она определяется магнитным потоком приходящимся на единицу длины линии, когда по ней проходит постоянный ток величиной в А. Таким образом, погонной индуктивностью учитываются индуктивность каждого провода и взаимная индуктивность между ними. Погонная индуктивность тем больше, чем тоньше провода и чем больше расстояние между ними. От расстояния между проводами зависит взаимная индуктивность она уменьшается с увеличением расстояния между проводами линии. Погонная индуктивность измеряется в Гн/м, мГн/м или мкГн/м. Погонной емкостью С линии называется емкость единицы длины линии. Она тем больше, чем толще провода и чем меньше расстояние между ними. Погонная емкость зависит от диэлектрической постоянной среды, разделяющей провода линии. Она измеряется в Ф/м, мкФ/м или пФ/м. Погонным активным сопротивлением R 1 называется активное сопротивление единицы длины линии. Оно зависит от материала проводов и 59 от частоты тока, протекающего в линии с увеличением частоты погонное сопротивление возрастает. Погонное сопротивление измеряется в Ом/м. Погонной проводимостью (утечкой называется активная проводимость единицы длины линии. Она зависит от электрических свойств диэлектрика, заполняющего пространство между проводами, и от частоты с увеличением частоты погонная проводимость увеличивается. Погонная проводимость измеряется в 1/(Ом*м). Кроме первичных параметров, линия характеризуется и вторичными параметрами. К ним относятся волновое сопротивление ρ, скорость распространения волн υ, коэффициент затухания β. Линия называется однородной, если значения первичных параметров не изменяются по длине линии. У однородной линии расстояние между проводами, диаметр проводов и свойства диэлектрика неизменны по всей длине линии. Типы линий Конструктивные особенности линий определяются предъявляемыми к этим линиям требованиями. Основные требования — это передача энергии с минимумом потерь и отсутствие излучения. Потери в линиях состоят из потерь энергии на активном сопротивлении проводов линии, потерь в диэлектрике, заполняющем пространство между проводниками, и потерь на излучение. Эти потери увеличиваются с увеличением частоты. Излучение (или прием из пространства) энергии фидером называется антенным эффектом. Антенный эффект приводит к искажению характеристик направленности антенн. Он отсутствует, если линия экранирована. У неэкранированных линий он тем меньше, чем меньше расстояние между проводами. Это объясняется тем, что при малом по сравнению с длиной волны расстоянии между проводами электромагнитное поле, которое создается током одного провода в удаленных от линии точках пространства, полностью уничтожается электромагнитным полем создаваемым током другого провода, протекающим в противоположном направлении. По конструкции различают четыре типа линий воздушную, изолированную, экранированную и коаксиальную. Воздушная (открытая) линия (рис. 40) состоит из двух параллельных прямолинейных медных проводов диаметром в 1-6 мм. Расстояние между проводами должно быть меньше четверти волны обычно оно составляет 5— 30 см и поддерживается постоянным с помощью изоляторов. Для уменьшения потерь выгодно передавать энергию при малом токе и большом напряжении. Величина напряжения ограничена пробивным 60 напряжением, которое зависит от расстояния между проводами, радиуса проводов и свойств диэлектрика. При заданном расстоянии а между центрами проводов электрическая прочность воздушной линии будет максимальной при условии, когда a/r = 5.4 (r— радиус провода. Рисунок 40. Первичные параметры двухпроводной линии определяются по формулам где r - радиус проводов в см f — частота в Гц а — расстояние между центрами проводов в см ε — относительная диэлектрическая постоянная. Для воздушной линии обычно аи поэтому можно пользоваться упрощенными формулами 61 Достоинство воздушной линии заключается в простоте ее устройства. К недостаткам этой линии относятся наличие потерь на излучение и индукционные токи в окружающих предметах, влияние внешних электромагнитных полей, неудобство прокладки и крепления. При дожде, снеге и особенно гололеде потери энергии значительно возрастают. Воздушная линия может применяться на частотах до 200 МГц. На более высоких частотах воздушная линия не применяется из-за невозможности устранения антенного эффекта и вследствие больших потерь энергии. Изолированная линия отличается от воздушной тем, что ее провода окружены высокочастотным диэлектриком (рис, защищенным от механических повреждений наружной изоляцией (резиной. Так как пробивное напряжение диэлектрика больше, чем воздуха, по изолированной линии можно передать большую мощность, чем по воздушной линии тех же размеров. Изолированная линия более удобна при монтаже. Рисунок 41. Экранированная линия (двухпроводный кабель отличается от изолированной линии наличием экрана (рис. 42) — медной гибкой оплетки или свинцовой оболочки. Экран полностью устраняет антенный эффект и влияние внешних электромагнитных полей. Для прокладки экранированной линии не требуются изоляторы ее можно прокладывать в земле ив воде, если экраном служит свинцовая оболочка. Рисунок 42. 62 Погонная емкость и индуктивность экранированной линии зависят от радиуса, экрана. С уменьшением радиуса экрана погонная емкость увеличивается, а погонная индуктивность уменьшается. Коаксиальная линия состоит из внешнего и внутреннего проводов, расположенных коаксиально (рис. 43). Внешний провод представляет собой медную оплетку или медную трубку жесткой конструкции. Провода изолированы один от другого колпачками из высокочастотного диэлектрика или сплошным эластичным диэлектриком. При жесткой конструкции и воздушном заполнении внутренний провод крепится на диэлектрических шайбах или металлических изоляторах. Рисунок 43. Коаксиальные линии:а – со сплошным гибким диэлектриком б – жесткой конструкции с воздушным заполнением в – с колпачковыми изоляторами. В отличие от рассмотренных выше типов линий коаксиальная линия я несимметрична. Несимметрия состоит в том, что электромагнитное поле, заключенное между внутренними внешним проводами, создается только токами и зарядами внутреннего провода. Токи и заряды внешнего провода не создают внутри него ни магнитного, ни электрического полей. Поэтому внешний провод коаксиальной линии подключается к такому полюсу генератора, потенциал которого все время равен нулю, те. внешний провод заземляется. При этом на наружной поверхности внешнего провода нет ни токов, ни зарядов, они есть только на внешней поверхности внутреннего провода и на внутренней поверхности внешнего провода. Электромагнитное поле коаксиальной линии экранировано внешним проводом, вследствие чего отсутствуют излучение и влияние внешних полей. Потери на активном сопротивлении коаксиальной линии в основном происходят во внутреннем проводе, так как его токонесущая поверхность значительно меньше токонесущей поверхности внешнего провода. Диэлектрическая прочность зависит от отношения радиусов внешнего и внутреннего проводов. 63 Первичные параметры коаксиальной линии определяются по формулам где R — внутренний радиус внешнего провода в см r— внешний радиус внутреннего провода в см частота в Гц. При заданном радиусе R внешнего провода существует такое значение радиуса r внутреннего провода, при котором диэлектрическая прочность имеет наибольшее значение. Расчеты показывают, что это будет при условии, когда r=0.37R. Если радиус внутреннего провода будет 6ольше 0,37R то расстояние между токонесущими поверхностями и пробивное напряжение уменьшатся. Если r<0,37R, то образуется большая напряженность поля у внутреннего провода и уменьшается пробивное напряжение. Коаксиальная линия применяется в широком диапазоне частот от самых низких до тысяч мегагерц. Назначение волноводов Сантиметровые волны (1—10 cм)начали широко применяться в радиолокации после изобретения специального генератора многорезонаторного магнетрона. Для передачи энергии сантиметровых волн от генератора к антенне с малыми потерями потребовались специальные передающие линии, так как воздушные линии непригодны для этих целей из- за больших потерь на излучение, а коаксиальные линии — из-за их потерь во внутреннем проводе. Можно сконструировать коаксиальную линию с малыми активными потерями, нов этом случае ее размеры будут слишком большими, и потому в них будут возникать волны неосновного типа. В качестве передающих линий в диапазоне сантиметровых волн применяются волноводы — полые металлические трубы прямоугольного или круглого сечения в соответствии с этим волноводы называются прямоугольными или круглыми (рис. 44). Электромагнитная энергия распространяется внутри волновода. По сравнению с коаксиальной линией волноводы обладают рядом преимуществ, обусловивших их применение в диапазоне сантиметровых волн. В волноводе нет внутреннего провода и поддерживающих его изоляторов, поэтому потери энергии в нем меньше, 64 чем в коаксиальной линии. При одинаковых размерах волновод позволяет передать большую мощность безопасности пробоя. Это видно из сравнения линий пробоя коаксиального фидера и волновода (рис. 45). К достоинствам волновода относится также полная экранировка передаваемой по нему электромагнитной энергии, исключающая потери на излучение и воздействие внешних полей. Одним из недостатков волноводов является невозможность передачи энергии волн любой длины. Внутри волновода могут распространяться волны короче некоторой предельной (критической) волны. Длина предельной волны связана с размерами поперечного сечения волновода и типом волны для простейших типов волн она примерно равна полупериметру волновода. Длина наибольшей предельной волны прямоугольного волновода (риса) равна а. Волноводы сложной формы, например Пи Н-обраэные (рис. 44, г, в, в зависимости от их размеров имеют предельные длины волн до а. Рисунок 44. Типы волноводов а – прямоугольный б – круглый в – П- образный г – Н-образный. Рисунок 45. Сравнение линий пробоя коаксиального фидера и круглого волновода. Волны поперечные, поперечно-электрические и поперечно- |