Мощность излучаемой радиоволны при других равных условиях. Прием, передача радиоволн на примере обобщенных схем радиоприемника и радиопередатчика

В фильтре на рис. 6.18, в две перекрещивающиеся полосковые линии при отсутствии гиромагнитного резонанса практически развязаны между собой, поскольку связи через магнитное поле нет, а электрическое поле в месте пересечения линий минимально, так как точка пересечения рас-

положена на расстоянии λ в /4 от разомкнутых концов полосковой линии. В точке пересечения между проводниками полосковых линий помещена ферритовая сфера, намагничиваемая управляющим полем, перпендикулярным плоскости основания полосковой платы. При гиромагнитном резонансе появляется составляющая поля магнитной индукции, продольная по отношению к возбуждающей линии передачи, и это приводит к возникновению сильной связи между полосковыми линиями.

Характеристики передачи рассмотренных фильтров носят ярко выраженный резонансный характер, причем резонансные частоты могут быть значительно изменены при регулировании поля подмагничивания. Для улучшения формы частотной характеристики в фильтрах используется несколько связанных между собой ферритовых резонаторов.

7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА РАДИОВОЛН

Антенна – непременная составная часть любой радиотехнической системы. Передающая антенна преобразует направляемые электромагнитные волны, движущиеся от генератора по фидерной линии к входу антенны, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства. Приемная антенна, напротив, преобразует падающие на нее свободные волны в направляемые волны фидера, подводящие принятую мощность к входу приемника. Из назначения передающих и приемных антенн следует, что они относятся к классу взаимно обратимых преобразователей энергии. Важное значение имеет принцип обратимости антенн, согласно которому в большинстве практических случаев передающая антенна может использоваться для приема электромагнитных волн и наоборот.

Для эффективного функционирования радиосистемы входящие в нее антенны должны удовлетворять определенным требованиям и, в первую очередь, следующим двум:

антенна должна распределять электромагнитную мощность в пространстве или реагировать на приходящее электромагнитное поле по определенному закону, т.е. иметь заданную характеристику направленности;

процесс излучения или приема электромагнитных волн не должен сопровождаться бесполезным расходом высокочастотной энергии на омические потери, т. е. нагрев, внутри антенны. Другими словами, антенна должна иметь как можно более высокий коэффициент полезного действия.

Область применения антенн в современной радиотехнике чрезвычайно широка. Предельные возможности современных радиотехнических устройств по дальности, точности пеленгации и угловому разрешению целей и многие другие определяются технически достижимыми параметрами антенных устройств и, в первую очередь, шириной формируемого луча, т. е. направленностью действия.

7.1. Электродинамические основы

7.1.1. Постановка задачи

Во многих практических задачах из области излучающих антенн требуется непосредственно связать величину сторонних электрических токов – источников электромагнитного поля – с векто-

рами E иH этого поля в любых точках пространства. Эти задачи получили название внешних задач антенной теории и базируются на основных уравнениях электродинамики– уравнениях Максвелла. Их решение сводится к решению неоднородной системы уравнений Максвелла, которая для гармонических во времени электромагнитных процессов может быть записана следующим образом:

Здесь для простоты предполагается, что плотность объемного заряда ρ=0. Плотность стороннего электрического тока в правой части первого уравнения системы (7.1) – известная векторная функция пространственных координат для конкретной антенны.

7.1.2. Векторный и скалярный потенциалы электромагнитного поля

Непосредственное решение системы (7.1), как правило, весьма сложно, поскольку здесь необходимо определить шесть неизвестных составляющих векторов Е иН . Поэтому целесообразно ввести некоторые вспомогательные функции, упрощающие решение и позволяющие одновременно найти векторы напряженности электрического и магнитного полей. Подобные вспомогательные функции в электродинамике носят название потенциалов электромагнитного поля. Отметим, что третьему уравнению системы (7.1) удовлетворяет векторное полеВ , определяемое по формуле

Соотношения (7.2) и (7.3) весьма неопределенны, поскольку единственное условие, налагаемое на

A э – это дифференцируемость, обеспечивающая существование ротора данного векторного поля. Попытаемся при помощи электрического векторного потенциала определить вектор напряжен-

ности электрического поля. Для этого подставим (7.3) во второе уравнение системы (7.1): rot E +i ω rotA э = 0, т. е.

Здесь ϕ э – некоторая скалярная функция, или скалярный электрический потенциал. Выбор знака в правой части (7.5) обусловлен тем, что в соответствии с известным соотношением электроста-

тики для полей, не зависящих от времени, справедливо равенство E = –gradϕ э . При этом сохраняется традиционное направление стрелок на силовых линиях электрического поля от положительных к отрицательным электрическим зарядам.

Итак, найден способ выражения векторов электромагнитного поля через векторный и скалярный электрические потенциалы: формула (7.3) и

7.1.3. Калибровка потенциалов. Неоднородное уравнение Гельмгольца

e − i γ R

Раскрывая операцию rot rot, получаем

где 2 – оператор Лапласа.

До сих пор не накладывалось никаких ограничений на функции A э иϕ э . Потребуем теперь, чтобы оба потенциала удовлетворяли следующему соотношению:

Формула (7.8) носит название соотношения калибровки потенциалов. Из-за произвольного вы-

бора функций A э иϕ э (7.8) может быть удовлетворено в любом случае. Заметим, что наложение условий (7.8) значительно упрощает уравнение (7.7), которое принимает вид

В результате получили неоднородное уравнение Гельмгольца относительно векторного электрического потенциала; в его правой части стоит известная функция распределения плотности стороннего электрического тока. Кроме того, операция калибровки потенциалов (7.8) позволяет выразить оба вектора электромагнитного поля через единственную функцию – электрический векторный потенциал:

7.1.4. Решение неоднородного уравнения Гельмгольца

Решим неоднородное уравнение Гельмгольца на основе простых физических допущений. Предположим, что сторонние электрические токи локализованы в некотором объеме V (рис.7.1); интенсивность возбуждаемого поля должна быть определена в точкеР , не принадлежащейV .

Рассмотрим элементарный объем ∆ V , окружающий точкуQ , лежащую внутриV . Очевидно, что интенсивность поля в точке наблюденияР , возникающего под действием токов, протекающих

внутри ∆ V , пропорциональна произведениюJ ст (Q )∆ V . ЗдесьJ ст (Q ) – некоторое среднее значе-

ние плотности стороннего тока, которое можно считать постоянным внутри ∆ V из-за малости последнего. Дальнейший путь решения уравнения (7.9) заключается в следующем. Ввиду линейности уравнений Максвелла рассматриваемая система удовлетворяет принципу суперпозиции. В

P соответствии с этим принципом полное решение неоднородного уравнения Гельмгольца может быть получено как сумма всех воздействий, вы-

/ R . Здесь в соответствии с обозначениями, принятыми на рис. 7.1,R – текущее значение модуля радиуса-вектора, соединяющего точкиР и

Q ,γ – постоянная распространения.

Таким образом, с точностью до множителя пропорциональности величина элементарного воздействия, вызываемого в точке Р объема∆ V , рав-

торного потенциала в точке наблюдения может быть найдена суммированием элементарных воздействий:

Владельцы патента RU 2598866:

Способ приёма радиоволн включает в себя преобразование электромагнитного излучения в электрический ток. Причём для увеличения напряженности электрического поля в месте приема размещают антенну, в которой активные элементы изготавливают из тонкой, заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты. Технический результат заключается в увеличении напряженности электрического поля. 4 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и телевизионного приема.

Известен способ приема радиоволн, в котором конвертация электромагнитного излучения радиочастотного диапазона в электрический ток производится с помощью антенны, представляющей собой одиночный вибратор (см. книгу: Миллер Г. Антенны. Практическое руководство. - СПб.: Наука и техника, 2012, стр. 24-25).

Недостатком такого способа приема радиоволн является то, что такая антенна не концентрирует электрическое поле в точке приема сигнала, то есть не увеличивает напряженность электрического поля в непосредственной близости от вибратора. Другим недостатком такого способа приема радиоволн является низкая реальная чувствительность одиночных вибраторов. Усиление таких антенн при приеме сигнала по отношению к изотропному излучателю колеблется в диапазоне 1-3 dB.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приема радиоволн, в котором приемное устройство представляет собой двухзеркальную антенну (см. книгу: Миллер Г. Антенны. Практическое руководство. - СПб.: Наука и техника, 2012, стр. 272-276). Двухзеркальная антенна (Backfire Antenna) была предложена в 1960 году Эреншпеком. Существуют две версии этой антенны. В качестве прототипа наиболее подходит короткая двухзеркальная антенна. Антенна имеет один активный элемент и два плоских отражателя. Антенна обеспечивает усиление 13 dB. Оба отражателя выполнены из мелкоячеистой металлической сетки. Активный элемент (вибратор) размещен на расстоянии 0,25λ от главного и вспомогательного отражателей. Здесь λ - длина волны. При работе антенны возникает стоячая волна за счет отражения от главного и вспомогательного отражателей. Вибратор установлен в пучности стоячей волны, где амплитуда сигнала в два раза выше, чем в пришедшей электромагнитной волне. Тем самым в прототипе обеспечивается концентрация электромагнитного поля в месте расположения антенны за счет создания стоячей волны отражателями. Однако сам активный элемент двухзеркальной антенны не увеличивает напряженность электрического поля в районе расположения вибратора.

Недостатком прототипа является то, что вибратор антенны не концентрирует электрическое поле в точке приема, то есть не увеличивает напряженность электрического поля около активного элемента.

Цель предлагаемого способа приема радиоволн - увеличение напряженности электрического поля в месте приема, что позволяет увеличить дальность уверенного телевизионного и радиоприема.

Технический результат от использования предложенного способа приема радиоволн состоит в увеличении дальности уверенного телевизионного и радиоприема. Это обеспечивается тем, что слабое электрическое поле усиливается путем его концентрации на острой кромке лезвия вибратора до величины, при которой обеспечивается нормальное функционирование антенны. Концентрация электрического поля в месте приема увеличивает напряженность электрического поля около антенны. Приемник, реализующий заявляемый способ приема радиоволн, способен уверенно принимать сигнал, который другими приемниками, размещенными в этой же точке, принят не будет, поскольку для них сигнал в точке приема не увеличивается и поэтому будет слабее собственных шумов антенны и первого каскада усиления и после усиления будет подавлен более мощным шумом. Заявляемый способ приема радиоволн обладает повышенной реальной чувствительностью и может использоваться при дальнем распространении радиоволн. При дальнем распространении радиоволн на уровень сигнала начинают влиять множество условий: изменение погоды, наличие дождя или снежных осадков, магнитные бури, пятна на Солнце. Требования к комнатной телевизионной антенне еще более жесткие, чем к внешней антенне. Если внешняя антенна может быть любых размеров, то комнатная антенна должна быть компактной. Это не позволяет использовать высокоэффективные типы антенн, имеющие большие габариты. На нижних этажах зданий в условиях многоэтажной городской застройки сигнал очень слабый, подвержен многократным отражениям, сильно (в десятки - сотни раз) изменяется во времени, а также при перемещении людей, животных, перестановке мебели в помещении. Напряженность электрического поля в помещении отличается даже в пределах десяти сантиметров. Затухание вносят стены, окна. Сигнал может отражаться от соседних зданий, автомобилей и других подвижных объектов и поэтому приходит к антенне не от телецентра, а с другого направления, которое постоянно изменяется. Особенно слабый сигнал будет в случае дальнего распространения радиоволн, то есть вне пределов прямой видимости. Считается, что расстояние прямой видимости не превышает 25 км. Комнатная антенна, реализующая заявляемый способ приема радиоволн, изготовлена для работы на 28 дециметровом телевизионном канале с целью обеспечения телевизионного приема цифрового сигнала первого мультиплекса в условиях крупного города. Расстояние от антенны до телецентра составляет более 45 км. При этом обеспечивается устойчивый высококачественный телевизионный прием 10 цифровых телеканалов и трех цифровых радиостанций на втором этаже девятиэтажного кирпичного дома, окруженного такими же девятиэтажными зданиями. Антенна принимает сигнал, отраженный от стены здания напротив. Использование комнатных антенн промышленного производства для приема цифрового сигнала первого мультиплекса успехом не увенчалось. Цифровой сигнал не принимался, поскольку все комнатные антенны рассчитаны на работу в зоне уверенного приема в пределах прямой видимости на расстояниях до 25 км. Применение комнатной антенны для приема цифрового телевидения имеет хорошие экономические перспективы, поскольку позволяет отказаться от услуг коллективной антенны, систем спутникового или кабельного телевидения. Названные источники сигналов являются коммерческими, их услуги постоянно дорожают. Поэтому использование комнатной антенны для дальнего приема цифрового телевидения дает хороший экономический эффект и быстро окупается. Тем более что происходит дальнейшее развитие цифрового телевизионного вещания, вводится в действие второй мультиплекс, который удвоит количество бесплатно принимаемых каналов. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет увеличить дальность уверенного телевизионного и радиоприема не только для вновь проектируемых антенн, но также и для находящихся в эксплуатации, путем замены штатных активных элементов на ленточные вибраторы. Замена может быть произведена для большинства типов антенн: всех типов простейших и групповых излучателей, антенн типа «волновой канал», рамочных и активных антенн. Такая замена является экономически эффективной, поскольку стоимость вибратора намного меньше стоимости всей антенны. Правильнее заменить в антенне только один вибратор, чем полностью заменять старую антенну на более эффективную и, соответственно, более сложную и дорогую новую антенну. Из тонкой, обоюдоострой, заточенной с двух сторон металлической ленты можно выполнять все известные типы вибраторов и пассивных элементов приемных антенн. Другой результат от применения заявляемого способа приема радиоволн заключается в возможности уменьшения мощности передатчиков при той же дальности уверенного приема.

Заявляемый технический результат способа приема радиоволн путем конвертации электромагнитного излучения в электрический ток достигается тем, что для увеличения напряженности электрического поля в месте приема размещают антенну, в которой активные элементы изготавливают из тонкой, заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты.

Предлагаемый способ приема радиоволн иллюстрируется чертежами:

фиг. 1 - концентрация электрического поля в области острой кромки лезвия;

фиг. 2 - схема ленточного вибратора на проволочном каркасе;

фиг. 3 - схематический чертеж антенны;

фиг. 4 - схема ленточного вибратора в экспериментальной антенне.

Физический принцип работы способа приема радиоволн

Для увеличения напряженности электрического поля в месте приема помещают антенну, в которой активный элемент изготавливают из очень тонкой (не более 0,05 мм), заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты. Лента должна быть заточена с двух сторон, и острота лезвия после заточки не должна превышать 1-2 мкм. Острое ребро ленточного вибратора устанавливают перпендикулярно направлению распространения волны. У острого края ленточного вибратора происходит резкое возрастание напряженности электрического поля, как показано на фиг. 1. Высокое значение напряженности электрического поля в месте расположения вибратора приводит к возрастанию напряжения на выходе вибратора. Напряжение на выходе антенны с вибратором, выполненным из обоюдоострой тонкой металлической ленты, значительно превышает напряжение на выходе аналогичного вибратора, выполненного из проволоки, трубок или других материалов. Напряжение на выходе вибратора, выполненного из обоюдоострой очень тонкой, заточенной с двух краев, металлической ленты повышается вследствие известного физического эффекта: резкого увеличения напряженности электрического поля возле очень острых выступов (см. книгу: Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т. 2. Электрические и электромагнитные явления. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2007, стр. 54). Лезвие концентрирует электрическое поле на острых гранях, увеличивает поле около антенны и напряжение на выходе антенны. Этот эффект широко используется, например, при устройстве систем защиты промышленных объектов от ударов молнии, когда высокие мачты с острыми штырями на конце, размещенные в непосредственной близости от защищаемых объектов, искривляют электрическое поле, увеличивая напряженность электрического поля в районе своего расположения. При этом напряженность электрического поля над защищаемыми объектами уменьшается до безопасной величины. В средние века эффект резкого увеличения напряженности электрического поля в окрестности объектов с острыми краями часто наблюдали на верхушках корабельных мачт в виде свечения, которое получило название огней Святого Эльма (см. книгу: Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т. 2. Электрические и электромагнитные явления. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2007, стр. 54). В настоящее время элементы мощных радиопередающих антенных устройств, для уменьшения искрения на острых кромках, также стараются делать без острых выступов. Однако все эти примеры и рассуждения касались статического электрического поля. Будет ли существовать такой эффект для электромагнитного поля? Ответ дает система уравнений Максвелла, которая описывает все многообразие взаимодействий электромагнитного поля с веществом и условия распространения электромагнитного поля в веществе. Связь между электрической составляющей электромагнитного поля и объемной плотностью заряда в среде распространения описывается одним из уравнений Максвелла, которое называется уравнением дивергенции:

Часто уравнение (1) записывают следующим образом:

Из уравнения (2) следует, что сумма частных производных электрического поля по координатным осям равна 4πρ. Когда внешних или наведенных зарядов нет, то ρ=0. Наведенные заряды возникают вследствие воздействия электромагнитного поля на вибратор антенны. По антенне протекает высокочастотный переменный ток. Вследствие скин-эффекта, токи, обусловленные воздействием электромагнитного поля на металлический вибратор, протекают по поверхности проводника. Протекающий по вибратору ток обусловлен перемещением зарядов. Эти заряды и называются наведенными зарядами. Распределение зарядов по поверхности антенны неравномерное и определяется, в первую очередь, размерами вибратора. Кроме того, плотность наведенных зарядов зависит от толщины ленты вибратора. Чем тоньше лента, тем больше плотность наведенных зарядов. Заряд, обусловленный воздействием электромагнитного поля, будет распределяться в меньшем объеме, что и увеличивает объемную плотность заряда ρ. Особенно значительное возрастание объемной плотности наведенного заряда будет наблюдаться на острой кромке тонкой ленты. Уравнение (2) показывает, что электрическое поле зависит от наличия наведенных или привнесенных внешних зарядов. При появлении объемной плотности заряда (ρ>0) будут изменяться производные электрического поля по направлениям. Частная производная напряженности электрического поля по направлению показывает, как меняется электрическое поле в этом направлении. Если частная производная по данному направлению положительна, то напряженность электрического поля в этом направлении увеличивается, а если отрицательна, то электрическое поле в этом направлении уменьшается. Если правая часть уравнения (2) возрастает и становится больше нуля, то одна или несколько частных производных напряженности электрического поля тоже должны возрастать. Другими словами при возрастании плотности объемного заряда напряженность электрического поля по некоторым направлениям также будет возрастать. Невозмущенное электрическое поле вдали от объемного заряда будет иметь меньшую напряженность, чем в окрестности объемного заряда. Решение уравнения (1) возможно для конкретных случаев через уравнение Пуассона. Однако даже качественное рассмотрение уравнения (2) подтверждает наличие эффекта возрастания напряженности электрического поля на острой кромке ленточного вибратора. Плотность объемного заряда на острой кромке проводника резко возрастает. Объемная плотность заряда будет увеличиваться по направлению к острой кромке. Следовательно, в направлении наибольшего градиента объемной плотности заряда будет наблюдаться и наиболее резкое возрастание напряженности электрического поля. Наибольшее значение напряженности электрического поля будет иметь место в непосредственной близости от острой кромки. Ленточный вибратор, реализующий заявляемый способ приема радиоволн, представлен на фиг. 2. Для повышения механической прочности ленту можно приварить точечной сваркой к проволочному или трубчатому каркасу. Рассмотрим более подробно, к чему приводит явление концентрации электрического поля на острой кромке ленточного вибратора. В теории телевизионного и радиоприема существует понятие реальной чувствительности приемника. Она характеризует способность приемника принимать слабые сигналы в условиях шумов и внешних помех. Реальная чувствительность приемника равна эдс сигнала в антенне, при которой напряжение сигнала на выходе приемника превышает напряжение помех настолько, что обеспечивается качественное воспроизведение сигнала. Внешние помехи и собственные шумы накладываются на принимаемый сигнал и снижают реальную чувствительность приемника. Поэтому чувствительность принято характеризовать наименьшим уровнем входного сигнала, обеспечивающим на выходе усилителя заданное соотношение сигнал-шум. В радиовещании принято, что уровень входного сигнала должен превышать уровень шумов на 20 дБ (в 10 раз), а в диапазоне УКВ на 26 дБ (в 20 раз). Реальная чувствительность радиовещательных приемников высшего класса в диапазонах ДВ, СВ и KB составляет 50 мкВ, а для более низких классов 200-300 мкВ. Если прием ведется на внутреннюю магнитную антенну, то чувствительность приемника должна находиться в пределах 1-3 мВ/м. Чувствительность радиовещательных приемников среднего класса в УКВ диапазоне составляет 10-30 мкВ, а у радиовещательных приемников высшего класса 5 мкВ. Современные телевизионные приемники обладают реальной чувствительностью порядка 40 мкВ. Современные приемники мобильной связи обладают чувствительностью на уровне десятых долей микровольта. Аддитивная смесь «сигнал плюс шум» с выхода антенны поступает на первый каскад усиления телевизионного приемника. Из-за нелинейности усилителя результат усиления будет разный в зависимости от соотношения между сигналом и помехой. Важными являются два случая: С/Ш>1 и С/Ш<1. В СВЧ-диапазоне в качестве помехи выступают собственные шумы антенны и первого каскада усиления. Если эффективное значение входного сигнала больше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то после усилителя отношение сигнал/шум еще более возрастет. Сильный сигнал усиливается в большей степени, чем слабая помеха. Поэтому сильный сигнал подавляет слабую помеху. Качество изображения и звукового сопровождения не будет ухудшаться из-за шумов и помех. Если уровень сигнала настолько мал, что его эффективное значение меньше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то на выходе усилителя слабый сигнал будет еще более подавлен мощным шумом. Усилитель усиливает и сигнал, и шум. Но мощный шум из-за нелинейности усилителя возрастет в значительно большей степени, чем слабый входной сигнал и отношение сигнал/шум на выходе усилителя еще более упадет. В результате сигнал будет настолько искажен шумами, что телевизионный приемник не сможет воспроизвести изображение и звук телеканала, хотя уровень сигнала на выходе усилителя будет находиться в требуемых пределах. Неважно, каким коэффициентом усиления обладает антенна, но если эффективное значение входного сигнала будет меньше уровня собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то сигнал будет настолько искажен усилителем, что приемник не сможет его воспроизвести. Повышать отношение сигнал/шум можно двумя способами. Чаше всего стараются уменьшить собственные шумы антенны и первого каскада. В первых каскадах усиления применяют высокочастотные малошумящие диоды, транзисторы и микросхемы. Для уменьшения тепловых шумов первого каскада усиления в системах космической и тропосферной связи усилитель охлаждают почти до абсолютного нуля в криостате с жидким гелием. Очевидно, что такой метод уменьшения собственных шумов можно применять не везде и не всегда. Второй способ увеличения отношения сигнал/шум на входе системы заключается в увеличении уровня входного сигнала в точке приема. Например, в прототипе для увеличения напряженности электрического поля в точке приема используют явление интерференции между прямой и отраженной (от экрана) электромагнитной волной. При интерференции прямой и отраженной волн образуется стоячая волна, амплитуда которой зависит не только от времени, но и от координаты точки наблюдения. Так в узлах уровень сигнала равен нулю, а в пучностях напряженность электрического поля в два раза превышает напряженность электрического поля в прямой и обратной волне. Если вибратор поместить в пучность стоячей волны, то напряжение на выходе антенны удвоится. Однако для увеличения напряженности электрического поля в точке приема можно использовать и другие физические законы. Так в заявляемом способе приема радиоволн задачу увеличения уровня сигнала на входе антенны решают за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке антенного вибратора. При этом собственные шумы антенны и первого каскада усиления не возрастают, следовательно, отношение сигнал/помеха увеличивается. Это означает, что заявляемый способ приема радиоволн способен работать с более низкой напряженностью электрического поля, при которой другие антенны даже с более высоким коэффициентом усиления не будут нормально функционировать, поскольку в них собственные шумы и внешние помехи будет подавлять слабый полезный сигнал и принимаемая информация будет искажена. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет также уменьшить мощность передающего устройства при заданной дальности связи. Замена вибраторов в существующих и уже установленных антеннах позволит резко улучшить качество приема и повысить дальность уверенного приема сигнала. Во многих случаях вместо внешних антенн можно применять малогабаритные комнатные антенны с ленточными вибраторами. Это особенно важно при переходе на цифровой формат вещания.

Устройство, реализующее предлагаемый способ приема радиоволн, представлено на фиг. 3. Антенна представляет собой вибратор, расположенный за плоским отражателем. Отражатель содержит три панели из фольгированного стеклотекстолита. Основная панель отражателя установлена параллельно плоскости вибратора, а две другие размещены сверху и снизу относительно основной панели отражателя под углом к ней. Отражатель и вибратор размещены на шасси. Активный элемент антенны представляет собой проволочный полуволновый петлевой вибратор, на котором размещены пластины с очень острыми кромками. В качестве таких пластин использованы обоюдоострые лезвия для безопасной бритвы. Лезвия установлены на проволочном каркасе по всей длине вибратора. Плоскость лезвия перпендикулярна плоскости вибратора (фиг. 4). Полуволновый петлевой вибратор имеет на резонансной частоте сопротивление 300 Ом, поэтому для согласования с коаксиальным кабелем сопротивлением 75 Ом использовано полуволновое U-колено. Такой вид согласования хорош тем, что при этом происходит и симметрирование антенны. Для увеличения входного сигнала, вибратор установлен в пучности стоячей электромагнитной волны на расстоянии от отражателя. Здесь λ - длина волны, на которую настроен вибратор. В пучности стоячей волны амплитуда сигнала удваивается. Для увеличения входного сигнала используются два физических явления. Во-первых, используется явление возрастания электромагнитного поля у острой кромки тонкого ленточного вибратора, заточенного с двух сторон. Вторым физическим явлением, повышающим уровень сигнала в антенне, является использование стоячих волн (см. книгу Литвинов О.С., Горелик B.C. Электромагнитные волны и оптика. Учеб. Пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, стр. 155-156). Обратная электромагнитная волна, возвращаясь от отражателя интерферирует с прямой волной. В результате интерференции образуется стоячая волна, где амплитуда сигнала меняется в зависимости от координаты точки измерения. В частности, в пучностях стоячей волны амплитуда сигнала удваивается. Если активный элемент антенны, например полуволновый петлевой вибратор, расположить в пучности стоячей волны, то напряженность электромагнитного поля в этой точке будет в 2 раза выше амплитудного значения поля в прямой волне (см. книгу: Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003), что удваивает сигнал на выходе антенны. Верхний и нижний отражатели также вызывают явление интерференции прямой и отраженной волны, дополнительно повышая напряжение сигнала в антенне. В стоячей волне прямая и отраженная волна должны иметь одинаковые значения амплитуды. Для этого коэффициент отражения экрана должен равняться единице. Медный фольгированный стеклотекстолит, использованный для отражателя в антенне, реализующей заявляемый способ приема радиоволн, имеет коэффициент отражения 0,65. Для повышения коэффициента отражения было проведено серебрение поверхности фольгированного стеклотекстолита. Коэффициент отражения серебра равен 0,95, что увеличило сигнал на выходе антенны на 3 dB. Серебрение очень часто применяют при изготовлении СВЧ-волноводов и СВЧ-резонаторов, поскольку это позволяет уменьшить потери в волноводном тракте и повышает добротность резонаторов. В результате проведенных мероприятий происходит: увеличение амплитуды сигнала в антенне за счет размещения вибратора в пучности стоячей волны; увеличение напряжения полезного сигнала в антенне за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке лезвия петлевого полуволнового вибратора; увеличение напряжения за счет резонансных явлений в вибраторе, настроенного на частоту 530 МГц; увеличение амплитуды стоячей волны за счет серебрения отражателя. Результаты эксперимента показали, что сигнал на выходе антенны с ленточным вибратором, реализующим заявляемый способ приема радиоволн, в три раза (на 10 dB) больше сигнала на выходе полуволнового проволочного вибратора, настроенного так же на частоту 530 МГц. Измерения проводились с помощью высокочастотного СВЧ-милливольтметра В3-36 и СВЧ-генератора Г4-129. Полученный результат позволяет констатировать несомненное преимущество антенны с вибратором, выполненным из обоюдоострой тонкой металлической ленты. Такая антенна обладает в три раза более высокой реальной чувствительностью.

Доказал, что электромагнитная энергия может быть отправлена в космос в виде радиоволн, которые проходят через атмосферу примерно со скоростью света. Это открытие помогло разработать принципы радиосвязи, которыми пользуются и сегодня. Кроме того, ученый доказал, что радиоволны имеют электромагнитную природу, а главная их характеристика - это частота, при которой энергия колеблется между электрическими и магнитными полями. Частота в герцах (Гц) связана с длиной волны λ, представляющей собой расстояние, которое радиоволна проходит в течение одного колебания. Таким образом, получается следующая формула: λ = C/F (где C равна скорости света).

Принципы радиосвязи основаны на передаче несущих информацию радиоволн. Они могут передавать голос или цифровые данные. Для этого радиостанция должна иметь:

Устройство для сбора информации в электрический сигнал (например, микрофон). Этот сигнал называется основной полосой частот в обычном звуковом диапазоне.

Модулятор внесения информации в полосу частот сигнала на выбранной

Передатчик, сигнала, который посылает его на антенну.

Антенну из проводящего электричество стержня определенной длины, которая будет излучать электромагнитную радиоволну.

Усилитель сигнала на стороне приемника.

Демодулятор, который будет способен восстановить первоначальную информацию из принимаемого радиосигнала.

Наконец, устройство для воспроизведения переданной информации (например, громкоговоритель).

Современный принцип радиосвязи был задуман еще в начале прошлого века. В то время радио разработали в основном для передачи голоса и музыки. Но очень скоро появилась возможность использовать принципы радиосвязи для передачи более сложной информации. Например, такой ​​как текст. Это привело к изобретению телеграфа Морзе.

Общим для голоса, музыки или телеграфа является то, что основная информация зашифрована в которые характеризуются амплитудой и частотой (Гц). Люди могут слышать звуки в диапазоне от 30 Гц и примерно до 12 000 Гц. Этот диапазон называется звуковой спектр.

Радиочастотный спектр делится на различные Каждый из которых имеет конкретные характеристики в отношении излучения и затухания в атмосфере. Выделяют описанные в таблице ниже коммуникационные приложения, которые работают в том или ином диапазоне.

Сегодня сложно представить, что делало бы человечество без радиосвязи, которая нашла свое применение во многих современных устройствах. Например, принципы радиосвязи и телевидения используются в мобильных телефонах, клавиатуре, GPRS, Wi-Fi, беспроводных компьютерных сетях и так далее.

Р. осуществляются с помощью передающих и приемных антенн. Излучение радиоволн. Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны l, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А (рис. 1), существует другой участок , удаленный от А на расстояние, меньшее, чем l/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В, ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает колебательный контур , содержащий катушку индуктивности и конденсатор . В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем l/2. Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь , в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с l/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с l волна (рис. 2). В отрезках А и В под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. . переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О и О" равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А и В образуют электрический диполь , что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А и В совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, - окружности (рис. 3). Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле , в котором поля Е и Н перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя (рис. 4). Волны, излучаемые диполем, имеют определенную поляризацию. Вектор напряженности электрического поля Е волны в точке наблюдения О (рис. 3) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r, проведенный от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н перпендикулярен этой плоскости. Переменное электромагнитное поле возникает во всем пространстве, окружающем диполь, и распространяется от диполя во всех направлениях. Диполь излучает сферическую волну, которую на большом расстоянии от диполя можно считать плоской (локально-плоской). Однако амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей, создаваемых диполем, а следовательно и излучаемая энергия, в разных направлениях различны. Они максимальны в направлениях, перпендикулярных диполю, и постепенно убывают до нуля вдоль оси диполя. В этом направлении диполь практически не излучает. Распределение излучаемой мощности по различным направлениям характеризуется диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности диполя имеет вид тороида (рис. 5). Полная мощность , излучаемая диполем, зависит от подводимой мощности и соотношения между его длиной l и длиной волны l. Для того чтобы диполь излучал значительную долю подводимой к нему мощности, его длина не должна быть мала по сравнению с l/2. С этим связана трудность излучения очень длинных волн. Если l подобрано правильно и потери энергии на нагрев проводников диполя и линии малы, то преобладающая доля мощности источника тратится на излучение. Таким образом, диполь является потребителем мощности источника,

подобно включенному в конец линии активному сопротивлению, потребляющему подводимую мощность. В этом смысле диполь обладает сопротивлением излучения Rи, равным тому активному сопротивлению, в котором потреблялась бы такая же мощность. Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал . Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор) возбуждались с помощью искрового разряда - единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор (рис. 6), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости. Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна . Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью m, на который намотана катушка из тонкого провода . Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя (рис. 7, , б), что обусловлено принципом двойственности. Если в стенках радиоволновода или объемного резонатора, где текут переменные поверхностные токи сверхвысоких частот, прорезать щель так, чтобы она пересекла направление тока, то распределение токов резко искажается, экранировка нарушается и электромагнитная энергия излучается наружу. Распределение полей щелевого излучателя подобно распределению полей магнитной антенны. Поэтому щелевой излучатель называется магнитным диполем (рис. 7, в, г; см. также Щелевая антенна). Диаграмма направленности магнитного и щелевого излучателей, так же как и электрического диполя, представляет собой тороид. Более направленное излучение создают антенны, состоящие из нескольких проволочных или щелевых излучателей. Это - результат интерференции радиоволн, излучаемых отдельными излучателями. Если токи, питающие их, имеют одинаковые амплитуду и фазу (равномерное синфазное возбуждение), то на достаточно далеком расстоянии в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности, волны от отдельных излучателей имеют одинаковые фазы и дают максимум излучения. Поле, созданное в других направлениях, значительно слабее. Некоторое увеличение напряженности поля имеет место в тех направлениях, где разность фаз волн, приходящих от крайних излучателей, равна (n + 1) p/2, где n - целое число . В этом случае сечение диаграммы направленности плоскостью содержит ряд лепестков (рис. 8), наибольший из которых называется главным и соответствует максимуму излучения, остальные называются боковыми. В современной антенной технике применяются антенные решетки, содержащие до 1000 излучателей. Поверхность , на которой они расположены, называется апертурой (раскрывом) антенны и может иметь любую форму. Задавая различное распределение амплитуд и фаз токов на апертуре, можно получить любую форму диаграммы направленности. Синфазное возбуждение излучателей, образующих плоскую решетку, позволяет получить очень высокую направленность излучения, а изменение распределения тока на апертуре дает возможность изменять форму диаграммы направленности. Для повышения направленности излучения, которое характеризуется шириной главного лепестка, необходимо увеличивать размеры антенны. Связь между шириной главного лепестка q, наибольшим размером апертуры L и излучаемой длиной волны l определяется формулами: для синфазного возбуждения и если излучатели расположены вдоль некоторой оси, а сдвиг фаз в них подобран так, что максимум излучения направлен вдоль этой оси (рис. 9). С - постоянные, зависящие от распределения амплитуды токов по апертуре. Если радиоволновод постепенно расширяется к открытому концу в виде воронки или рупора (рис. 10), то волна в волноводе постепенно преобразуется в волну, характерную для свободного пространства. Такая рупорная антенна дает направленное излучение. Очень высокая направленность излучения (до долей градуса на дециметровых и более коротких волнах) достигается с помощью зеркальных и линзовых антенн. В них благодаря процессам отражения и преломления сферический фронт волны, излучаемой электрическим или магнитным диполем либо рупорным излучателем, преобразуется в плоский. Однако из-за дифракции волн в этом случае диаграмма также имеет главный и боковые лепестки направленности. Зеркальная антенна представляет собой металлическое зеркало 1, чаще в виде части параболоида вращения или параболического цилиндра, в фокусе которого находится первичный излучатель (рис. 11). Линзы для радиоволн представляют собой трехмерные решетки из металлических шариков, стерженьков и т.п. (искусственные диэлектрики) или набор прямоугольных волноводов. Прием радиоволн. Каждая передающая антенна может служить приемной. Если на электрический диполь действует распространяющаяся в пространстве волна, то ее электрическое поле возбуждает в диполе колебания тока, которые затем усиливаются, преобразуются по частоте и воздействуют на выходные приборы. Можно показать, что диаграммы направленности диполя в режимах приема и передачи одинаковы, т. е. что диполь принимает лучше в тех направлениях, в которых он лучше излучает. Это является общим свойством всех антенн, вытекающим из принципа взаимности: если расположить две антенны - передающую А и приемную В - в начале и в конце линии радиосвязи, то генератор , питающий антенну А, переключенный в приемную антенну В, создает в приемном устройстве, переключенном в антенну А, такой же ток, какой, будучи включенным в антенну А, он создает в приемнике, включенном в антенну В. Принцип взаимности позволяет по свойствам передающей антенны определить ее характеристики как приемной. Энергия, которую диполь извлекает из электромагнитной волны, зависит от соотношения между его длиной l, длиной волны l и углом y между направлением v прихода волны и диполем. Существен также угол j между направлением вектора электрической волны и диполем (рис. 12). Наилучшие условия приема, при j = 0. При j = p/2 электрический ток в диполе не возбуждается, т. е. прием отсутствует. Если же 0 эта энергия связана с поляризацией приходящей волны. Из сказанного выше следует, что в случае излучающего и принимающего диполей для наилучших условий приема необходимо, чтобы оба диполя лежали в одной плоскости и чтобы приемный диполь был перпендикулярен направлению распространения волны. При этом приемный диполь извлекает из приходящей волны столько энергии, сколько несет с собой эта волна, проходя через сечение в форме квадрата со стороной равной Шумы антенны. Приемная антенна всегда находится в таких условиях, когда на нее, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Воздух и поверхность Земли вблизи антенны, поглощая энергию, в соответствии с Рэлея - Джинса законом излучения создают электромагнитное излучение. Шумы возникают и за счет джоулевых потерь в проводниках и диэлектриках подводящих устройств. Все шумы внешнего происхождения описываются так называемой шумовой, или антенной, температурой TA. Мощность Рш внешних шумов на входе антенны в полосе частот Dn приемника равна: Рш =k TA Dn (k - Больцмана постоянная). На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счет боковых лепестков ее диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землей, высока; она может достигать 140-250 ; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50-80 К, а специальными мерами ее можно снизить до 15-20 К. О конкретных типах антенн, их характеристиках и применении см. в ст. Антенна. Лит.: Хайкин . Э., Электромагнитные волны, 2 изд., . - Л., 1964; Гольдштейн . Д., Зернов . В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. - Л., 1950. Под редакцией Л. . Бахража.

Радиоволны, и их распространение, являются неоспоримой загадкой для начинающих любителей эфира. Здесь можно познакомиться с азами теории распространения радиоволн. Данная статья предназначена для ознакомления начинающих любителей эфира, а также и для тех, кто имеет некоторое представление о нём.

Самая главная вводная, про которую часто забывают сказать, прежде чем познакомить с теорией распространения радиоволн, так это то, что радиоволны распространяются вокруг нашей планеты за счет отражения от ионосферы и от земли как от полупрозрачных зеркал отражается луч света.

Особенности распространения средних волн и перекрёстная модуляция

К средним волнам относятся радиоволны длиной от 1000 до 100 м (частоты 0,3 — 3,0МГц). Средние волны используются главным образом для вещания. А так же они являются колыбелью отечественного радиопиратства. Они могут распространяться земным и ионосферным путём. Средние волны испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, дальность распространения земной волны 1, (см. рис. 1), ограничена расстоянием 500-700 км. На большие расстояния радиоволны 2 и 3 распространяются ионосферной (пространственной) волной.

В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы (см. рис. 2), электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения волны расположен слой D, чрезвычайно сильно поглощающий средние волны. Поэтому при обычных мощностях передатчиков, напряженность электрического поля недостаточна для приема, и в дневные часы распространение средних волн происходит практически только земной волной на сравнительно небольшие расстояния, порядка 1000 км. В диапазоне средних волн, более длинные волны испытывают меньшее поглощение, и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

В ночные часы см. рис. 1, на некотором расстоянии от передатчика (точка В), возможен приход одновременно пространственной 3 и поверхностной волн 1, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому ближним замиранием поля.

На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны 2 и 3 путем одного и двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому дальним замиранием поля.

Для борьбы с замираниями на передающем конце линии связи применяются антенны, у которых максимум диаграммы направленности «прижат» к земной поверхности, к ним можно отнести простейшую антенну «Inverted-V», достаточно часто применяемую радиолюбителями. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

К сожалению не все начинающие радиовещатели, работающие в диапазоне частот 1600-3000кГц знают, что слабый сигнал от маломощного передатчика подвержен ионосферным искажениям. Сигнал от более мощных радиопередатчиков ионосферным искажениям подвержен меньше. Ввиду нелинейной ионизации ионосферы, происходит модуляция слабого сигнала модулирующим напряжением сигналов мощных станций. Это явление называется перекрестной модуляцией. Глубина коэффициента модуляции достигает 5-8%. Со стороны приема создаётся впечатление не качественно выполненного передатчика, со всевозможными гулами и хрипами, особенно это заметно в режиме АМ модуляции.

За счет перекрестной модуляции в приемник часто проникают интенсивные грозовые помехи, которые невозможно отфильтровать — грозовой разряд модулирует принимаемый сигнал. Именно по этой причине радиовещатели для проведения двусторонней радиосвязи стали применять однополосные передатчики и стали чаще работать на более высоких частотах. Зарубежные радиовешатели СВ станций, умощняют их, и подвергают компрессии модулирующие сигналы, а для неискаженной работы в эфире, применяют инверсные частоты.

Явления демодуляции и перекрестной модуляции в ионосфере наблюдаются только в диапазоне средних волн (СВ). В диапазоне коротких волн (КВ) скорость электрона под действием электрического поля ничтожно мала по сравнению с его тепловой скоростью и присутствие поля не меняет числа столкновений электрона с тяжелыми частицами.

Наиболее благоприятны, в диапазоне частот от 1500 до 3000кГц для дальних связей, являются зимние ночи и периоды минимума солнечной активности. Особо дальние связи, более 10000 км, обычно возможны в часы захода и восхода солнца. В дневные часы связь возможна на расстояние до 300 км. Свободные радиовещатели FM диапазона могут только позавидовать таким большим радиотрассам.

В летнее время на этом диапазоне часто мешают помехи от статических разрядов в атмосфере.

Особенности распространения коротких волн и их характеристики

К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3-30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно легко создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные, в низкочастотной части диапазона, и как ионосферные.

С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. На морской глади, это расстояние значительно увеличивается.

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым см. рис. 2 и характеризуется расстоянием скачка, числом скачков, углами выхода и прихода, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10-15°. Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения, называют расстоянием зоны молчания (ЗМ). Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, максимально применимой частоты (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния. Волна 4.

Применение антенн зенитного излучения, как один из приёмов уменьшения зоны молчания, ограничивается понятием максимально применимой частоты (МПЧ) с учётом снижения её на 15-20% от МПЧ. Антенны зенитного излучения применяют для вещания в ближней зоне методом односкачкового отражения от ионосферы.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую — применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при мощности передатчика в 1кВт, напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого. Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток, в течение года, и периода солнечной активности. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток.

Диапазон частот 1,5–3 МГц, является ночным. Понятно, что для успешного проведения сеанса радиосвязи нужно каждый раз правильно выбирать частоту (длину волны), к тому же это усложняет конструкцию станции, но для настоящего ценителя дальних связей это не является трудностью, это часть хобби. Проведём оценку КВ диапазона по участкам.

Диапазон частот 5-8 мГц, во многом схож с диапазоном 3 мГц, и в отличае от него, здесь в дневное время можно связаться до 2000 км, зона молчания (ЗМ) отсутствует и составляет несколько десятков километров. В ночные часы возможна связь на любое расстояние за исключением ЗМ, которая увеличивается до нескольких сот километров. В часы смены времени суток (заход/восход), наиболее удобны для дальних связей. Атмосферные помехи менее выражены, чем в диапазоне 1,5-3 мГц.

В диапазоне частот 10-15 мГц в периоды солнечной активности возможны связи в дневное время суток практически с любой точкой земного шара. Летом продолжительность радиосвязи в этом диапазоне частот бывает круглосуточной, за исключением отдельных дней. Зона молчания ночью имеет расстояния в 1500-2000 км и по этому возможны только дальние связи. В дневное время они уменьшаются до 400-1000 км.

Диапазон частот 27-30 мГц пригоден для связи только в светлое время суток. Это самый капризный диапазон. Он обычно открывается на несколько часов, дней или недель особенно при смене сезонов, т.е. осенью и весной. Зона молчания (ЗМ) достигает 2000-2500 км. Это явление относится к теме МПЧ, здесь угол отраженной волны должен быть малым по отношению к ионосфере, иначе он имеет большое затухание в ионосфере, или простой уход в космические просторы. Малые углы излучения соответствуют большим скачкам и соответственно большим зонам молчания. В периоды максимума солнечной активности возможна связь и ночью.

Помимо перечисленных моделей, возможны случаи аномального распространения радиоволн. Аномальное распространение может возникнуть при появлении на пути волны спорадического слоя, от которого могут отражаться более короткие волны, вплоть до метровых. Это явление можно наблюдать на практике прохождением дальних телестанций и FM радиостанций. МПЧ радиосигнала в эти часы доходит до 60-100 мГц в годы солнечной активности.

В диапазоне УКВ FM, за исключением редких случаев аномального распространения радиоволн, распространение обусловлено строго так называемой «прямой видимостью». Распространение радиоволн в пределах прямой видимости говорит само за себя, и обусловлено высотой расположения передающей и приёмной антенн. Понятно, что в условиях городской застройки ни о какой визуальной и прямой видимости говорить нельзя, но радиоволны проходят сквозь городские застройки с некоторым ослаблением. Чем выше частота, тем выше затухание в городских застройках. Диапазон частот 88-108 МГц так же подвержен некоторым затуханиям в условиях города.

Замирание радиосигналов диапазона КВ

Приём коротких радиоволн всегда сопровождается измерением уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный и временной характер. Такое явление называют замираниями (федингом) радиосигнала. В эфире наблюдаются быстрые и медленные фединги сигнала. Глубина фединга может достигать до нескольких десятков децибел.

Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. В этом случае причиной федингов служит приход в точку приема двух лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы, волна 1 и волна 3, см. рис 2.

Поскольку лучи проходят различные пути по расстоянию, фазы прихода их неодинаковы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждого из лучей, а следовательно, и к изменению разности фаз между лучами. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась всего на ½. Следует напомнить, что при приходе лучей одного сигнала в точку приёма с одинаковой силой и с разностью фаз на 180°, они полностью вычитаются по закону векторов, а сила приходящего сигнала в этом случае может быть равна нулю. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому, колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими. Интервал их наблюдения в 3-7 минут может составлять на низких частотах КВ диапазона, и до 0,5 секунд на частотах ближе к 30 МГц.

Помимо этого, фединг сигнала вызываются рассеянием радиоволн на не однородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн.

Кроме интерференционных федингов, на коротких волнах, имеют место поляризационные фединги. Причиной поляризационных федингов является поворот плоскости поляризации волны относительно принимаемой антенны. Это происходит при распространении волны в направлении силовых линий магнитного поля Земли, и с изменением электронной плотности ионосферы. Если передающая и приемная антенны представляют собой горизонтальные вибраторы, то излученная горизонтально — поляризованная волна, после прохождения в ионосфере претерпит поворот плоскости поляризации. Это приводит к колебаниям э. д. с., наводимой в антенне, которое имеет дополнительное затухание до 10 дБ.

На практике все указанные причины замираний сигнала действуют, как правило, комплексно и подчиняются описанным законом распределения Релея.

Помимо быстрых замираний, наблюдаются медленные замирания, которые наблюдаются с периодом в 40-60 мин в низкочастотной части КВ диапазона. Причиной этих федингов является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Распределение огибающей амплитуды сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально логарифмическому закону с уменьшением сигнала до 8-12 дБ.

Для борьбы с замираниями, на коротких волнах применяют метод приема на разнесенные антенны. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходят не одновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В практике коротковолновой связи используют обычно две антенны, разнесенные на расстояние нескольких длин волн, а сигналы складывают после детектирования. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т. е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов после детектирования.

Хочется отметить, что указанные меры борьбы действенны только для устранения быстрых замираний, медленные изменения сигнала не устраняются, так как это связано с изменением поглощения радиоволн в ионосфере.

В радиолюбительской практике метод разнесённых антенн используется довольно редко, ввиду конструктивной дороговизны и отсутствием необходимости приёма достаточно достоверной информации. Это связано с тем, что любители часто используют резонансные и диапазонные антенны, количество которых в его хозяйстве составляет около 2-3 штук. Использование разнесённого приёма требует увеличение парка антенн минимум вдвое.

Другое дело, когда любитель живёт в сельской местности, имея при этом достаточную площадь для размещения антифединговой конструкции, он может применить для этого просто два широкополосных вибратора, перекрывающие все, или почти все необходимые диапазоны. Один вибратор должен быть вертикальным, другой горизонтальным. Для этого совсем не обязательно иметь несколько мачт. Достаточно разместить их так, на одной мачте, чтобы они были сориентированы относительно друг друга под углом в 90°. Две антенны, в этом случае будут напоминать широко известную антенну «Inverted-V».

Расчет радиуса покрытия радиосигналом в УКВ/FM диапазонах

Частоты метрового диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Радиус действия распространения радиоволны в пределах прямой видимости без учета мощности излучения передатчика и прочих природных явлений, уменьшающих эффективность связи, выглядит так:

r = 3,57 (√h1 + √h2), км,

Рассчитаем радиусы прямой видимости при установке приемной антенны на разных высотах, где h1 — параметр, h2 = 1,5 м. Сведем их в таблицу 1.

Таблица 1

Данная формула не учитывает затухание сигнала и мощности передатчика, она говорит лишь о возможности прямой видимости с учетом идеально круглой земли.

Произведем расчет необходимого уровня радиосигнала вместе приема для длины волны 3 м.

Поскольку на трассах между передающей станцией и подвижным объектом всегда присутствуют такие явления как, отражения, рассеяния, поглощения радиосигналов различными объектами и пр, следует вводить поправки в уровень затухания сигнала, что предложил японский ученый Okumura. Среднеквадратическое отклонение для этого диапазона с городскими застройками составит 3 дБ, а при вероятности связи в 99% введем множитель 2, что составит общую поправку П в уровне радиосигнала в
П = 3 × 2 = 6 дБ.

Чувствительность приемников определяется соотношением полезного сигнала над шумами в 12 дБ, т.е. в 4 раза. Такое соотношение при качественном радиовещании не приемлемо, поэтому введем дополнительную поправку еще в 12–20 дБ, примем 14 дБ.

Итого общая поправка в уровне принимаемого сигнала с учетом затухания его по трассе и специфике приемного устройства, составит: 6+16 20дБ (в 10 раз). Тогда при чувствительности приемника в 1,5 мкВ. в месте приема должно создаваться поле с напряженностью в 15 мкВ/м.

Рассчитаем по формуле Введенского радиус действия при заданной напряженности поля в 15 мкВ/м с учетом мощности передатчика, чувствительности приемника и городских застроек:

где r — км; Р — кВт; G — дБ (=1); h — м; λ — м; Е — мВ.

В данном расчете не учитывается коэффициент усиления приемной антенны, а также затухание в фидере и полосовом фильтре.

Ответ: При мощности в 10 Вт, высоте излучения h1=27 метров и h2=1,5м, реально качественный радиоприем с радиусом в городских застройках составит 2,5-2,6 км. Если учитывать, что прием радиосигналов вашего радиопередатчика будет осуществляться на средних и высоких этажах жилых зданий, то этот радиус действия увеличится примерно в 2-3 раза. Если принимать радиосигналы на вынесенную антенну, то радиус действия будет исчисляться десятками километров.

73! UA9LBG & Радио-Вектор-Тюмень