Основы радиотехнических систем

Лекция 2. Диапазоны используемых частот. Основы радиотехнических систем

Радиоволны — это распространяющиеся в среде электромагнитные колебания, частоты которых лежат в диапазоне 3 кГц—3 ТГц, что соответствует длинам волн в вакууме от 100 км до 0,1 мм. Электромагнитные волны есть форма существования электромагнитного поля, которое определяется следующими основными физическими величинами:вектором напряженности электрического поля (В/м),вектором магнитной индукции (Тл) полей и вектором Пойтинга (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Распространение радиоволн

Напряженность - это сила , действующая со стороны электрического поля на тело, имеющий электрический заряд Q = 1 Кл:

Магнитная индукция - это сила магнитного поля , действующая на проводник длиной l= 1м, по которому протекает ток I = 1 А, при условии, что вектор перпендикулярен проводнику:

Поскольку электромагнитное поле существует в виде волн, то оно будет перемещаться в пространстве. В частности, энергия будет выходить или входить в объем V. Для оценки энергии электромагнитных волн введена физическая величина, называемая вектором ПойнтингаП и равная векторному произведению векторов E и H:

П = (E × H), Вт / м2.

Величина вектора Пойнтинга

П= EH sinα,

где α — угол между векторами E и H. В идеальном диэлектрике П= ЕН.

Вектор ПойнтингаП перпендикулярен к плоскости расположения векторов, E и H и его направление определяется «правилом винта» при вращении E к H по кратчайшему расстоянию.Поэтому П— это энергия электромагнитного поля, проходящая в единицу времени через поверхность единичной площади, т.е. плотность потока мощности.

Как известно английский физик Д. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, установившую общую природу световых и радиоволн, а также открыл законы их распространения. В дальнейшем были изучены другие виды излучения: ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское и т.д.. Исследования показали, что, несмотря на различия ряда свойств этих видов излучения природа их одна и та же: все они представляют собой электромагнитные волны, а особенности их физических проявлений определяются различием в длине волны.

Из курса физики известно, что электроны в атомах движутся вокруг положительно заряженного ядра по орбитам, на которых они обладают постоянной энергией. При некоторых условиях электроны могут переходить с одной орбиты на другую, вследствие чего изменяется их энергия. Избыток ее превращается в электромагнитное излучение. В радиотехнике используется способ ускоренного движения свободных электронов, находящихся в огромном количестве в телах проводников.

Создать ускоренное движение электронов в одном направлении в течение длительного времени сложно, поэтому приходится ускорение в одном направлении сменять замедлением, т.е. ускорением в противоположном направлении. Подобный цикл можно повторять многократно за счет присоединения каких-либо проводников к зажимам источника переменной ЭДС, под действием которой свободные электроны проводника начинают совершать колебательные движения, создавая электромагнитные излучения в окружающем пространстве. Такой проводник, преобразующий энергию источника переменной ЭДС в энергию электромагнитных волн (ЭМВ), называется передающей антенной.

Согласно теории Максвелла, скорость распространения ЭМВ в какой-либо среде

где c-скорость распространения света в вакууме, e - диэлектрическая, а µ - магнитная проницаемости среды. Для воздуха e» µ»1, следовательно км/с.

Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент времени поле у антенны было максимальным, то такое же значение оно будет иметь через время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние

Минимальное значение между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Так как частота тока f = 1/Т, то l = .

На основании теории Максвелла ЭМВ представляют собой волны поперечного типа, т.е. в любой точке направления действия магнитного и электрического полей волны перпендикулярны направлению ее распространения, при этом направление электрического поля всегда перпендикулярно направлению магнитного поля (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Структура поля электромагнитной волны

Таким образом, радиоволны – это:

- Электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света

- Переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний

- Рождаются при изменении электрического поля

- Характеризуются частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии

Физическая сущность процесса излучения электромагнитной энергии.

Замкнутый колебательный контур это электрическая цепь, состоящая из конденсатора(С) и катушки индуктивности(L) с небольшим активным сопротивлением.

Рисунок 2.3 – Замкнутый колебательный контур

При работе замкнутого колебательного контура электрическое поле сосредоточивается главным образом в небольшом пространстве между обкладками конденсатора, а магнитное поле образуется вокруг катушки индуктивности на малом расстоянии от нее. Поэтому лишь незначительная часть энергии излучается в окружающее пространство, что не позволяет практически использовать такой контур в качестве излучателя электромагнитной энергии.

Для излучения требуемого количества энергии на большие расстояния необходимо применить такую колебательную систему, в которой электрическое и магнитное поля занимали бы большое пространство, т. е. необходимо преобразовать замкнутый контур в открытый. Эта задача решается антенной системой, которая, в сущности, и представляет собой открытый колебательный контур.

За один период колебаний электрическое поле (и магнитное поле) отодвигается от антенны на расстояние, равное длине волны l .

Примером открытого КК является полуволновой вибратор (рис. 2.4).

Полуволновой вибратор (ПВВ) представляет собой проводник, длина которого приблизительно равна половине длины волны. С учетом поверхностного эффекта, вибратор, как правило, выполняют в форме трубки. ПВВ, как и отрезок разомкнутой линии обладает С и L, а следовательно, обладает свойствами КК. Однако его отличие – C и L вибратора, также как и линии, являются не сосредоточенными, а распределенными по всей длине вибратора. Питание ПВВ осуществляется от источника тока высокой частоты ВЧ, включенного в середину ПВВ по линии связи - фидеру, который, как правило, выполняют коаксиальным кабелем.

Рисунок 2.4 –Полуволновой вибратор

При подаче высокочастотного напряжения на ПВВ вокруг него возникают переменные электрические и магнитные поля. В результате этого, в окружающем пространстве вокруг ПВВ, создается т.н. поле излучения, которое представляет собой совокупность переменных электрических и магнитных полей, распространяющихся во внешнем пространстве, независимо от последующего изменения тока в антенне. При этом изменение электрического поля создает магнитное поле, и наоборот. Вектора напряженностей электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и совпадают по фазе. За счет движения полей в пространстве, в каждой его точке энергия э/м поля пульсирует, а направление движения определяется вектором Пойтинга.

Антенны могут быть передающими и приемными.

Передающие антенны питаются переменным током высокой частоты (ВЧ) и излучают ее в окружающее пространство в виде электромагнитных волн (ЭМВ).

Приемные антенны служат для улавливания передаваемых ЭМВ, и являются составляющей приемного устройства.

Любая антенна обратима и может быть использована и как приемная, и как передающая. Типы и конструкции антенн зависят от назначения и длины волны.

Если передающая антенна расположена вертикально, то электрические силовые линии поля излучения будут расположены в вертикальной плоскости, а магнитные – горизонтально, такое поле называется вертикально поляризованным. Если антенна расположена горизонтально - это горизонтально поляризованное поле соответственно.

Распространение радиоволн в свободном пространстве. Система передачи информации состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена — соединяющей линии. Промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны.

При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.

При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны, изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.

В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо: рассчитать мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий); определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения; определить истинную скорость и направление прихода сигналов; учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.

Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

Существует три основных вида распространения радиоволн: поверхностное, ионосферное и тропосферное.

Поверхностное распространение радиоволн. Поверхностными или земными называют волны, которые распространяются вдоль земной поверхности. Это происходит за счет дифракции и рефракции (преломления), т.е. огибания радиоволной препятствия или земной поверхности. Дальность связи зависит от диапазона, уровня мощности, проводимости почвы и эффективности антенны. Если передающая и приемная антенны находятся в пределах прямой видимости, то уровень сигнала будет гораздо больше, чем при связи земной волной за линией горизонта. На практике связь поверхностной волной не превышает 100 км на диапазоне 160 метров и 50 км на 10 метрах.

Наиболее заметное влияние на распространение радиоволн в атмосфере оказывают тропосфера и ионосфера.

Ионосферное распространение радиоволн. Над поверхностью Земли на высоте 60-1000 км располагается ионосфера – ионизированная область верхних слоев атмосферы. Ионизация (заряд электрическим потенциалом) возникает под действием ультрафиолетового излучения Солнца, следовательно, от солнечного излучения зависит состояние ионосферы. Ионосфера имеет свойства отражения, преломления и ослабления радиосигналов.

Ниже рассмотрим методы распространения радиоволн (коротковолнового) КВ-диапазона. Ионосфера состоит из нескольких слоев на разной высоте. Рассмотрим случай, когда радиоволны излучаются передатчиком во всех направлениях. В качестве примера возьмем четыре направления (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Методы распространения радиоволн КВ-диапазона

Радиоволны, излучаемые радиостанцией вертикально вверх или под большим углом к горизонту (1,2), только немного преломляются и уходят в Космос. Те волны, которые имеют меньший угол излучения к горизонту (а1), отражаются ионосферой и возвращаются на Землю. При этом они испытывают некоторое затухание (ослабление). Достигнув Земли, они отражаются от ее поверхности и снова идут к ионосфере. Таким образом, волна 3 может скачками с отражением от ионосферы и поверхности Земли распространяться на большие расстояния и даже, обогнув Землю, вернуться в место излучения. Для того чтобы радиоволна достигла антипода (противоположной поверхности Земли) достаточно шесть отражений. При таком механизме распространения радиоволн есть область, где прием радиостанции невозможен. Эта область называется "мертвой зоной". Как видно из рисунка, поверхностная волна не достает места "приземления" первого скачка, а те волны, которые могли бы это сделать уходят в Космос из-за большого угла излучения. Возникает любопытная ситуация, когда дальние радиостанции принимаются с большой громкостью, а ближние не слышно вовсе.

Те радиоволны, которые излучаются под малыми углами к горизонту (а2), могут, отразившись от верхних слоев ионосферы, снова отразится от нижних слоев и таким образом распространяться на большие расстояния, не претерпевая при этом большого ослабления (4). В какой-то момент они не смогут отразиться от нижних слоев ионосферы и попадут на Землю. Такой механизм называется рикошетным распространением радиоволн. С точки зрения связи, такое распространение является наиболее предпочтительным, т.к. радиоволны претерпевают незначительное ослабление.

Ионосферные слои (максимумы) обозначаются буквами

В ионосфере на высоте более 80 км основными носителями отрицательных зарядов являются электроны, ниже — отрицательные ионы. За счет присутствия положительных ионов ионосферная плазма на любой высоте электрически нейтральна.Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн. Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний.

В ионосфере по высотному распределению электронной плотности принято выделять несколько областей:

- D — от 50 до 90 км;

- E — от 90 до 160 км;

- F — от 160 до 1500 км.

Имеется еще и слой С, однако уровень ионизации в нем так низок, что он не влияет на радиоволны (рис 2.6).

Рисунок 2.6 – Слои ионосферы

Ниже всего расположен слой D — на высоте между 50 и 80 км. Он существует в течение дня, когда на него падает излучение Солнца. Поскольку плотность воздуха на таких высотах еще достаточно велика, ионы и электроны рекомбинируют здесь относительно быстро. После захода Солнца, когда солнечное излучение блокируется Землей, уровень свободных электронов быстро падает, и слой D, по сути дела, исчезает.

Следующий слой, лежащий выше слоя D, называется слоем Е. Его можно обнаружить на высотах между 100 и 125 км. Поскольку и здесь электроны и ионы рекомбинируют достаточно быстро, после захода Солнца уровень ионизации быстро падает. И хотя при этом некоторый остаточный уровень ионизации остается, фактически, ночью слой Е исчезает.

Для дальних связей наиболее важную роль играет слой F. В течение дня он часто распадается на два субслоя, которые мы обозначаем как F1 и F2 (рис.2.6). Ночью оба слоя снова сливаются в один слой F. Высота слоя F сильно варьируется и зависит от времени суток, сезона и состояния Солнца. Летом слой F1 может располагаться на высоте 300 км., а слой F2 — на высоте 400 км.или выше. Зимой эти цифры могут быть, соответственно, 100 км.и 200 км. Ночью слой F располагается, как правило, на высотах 250 – 300 км. Однако все эти цифры очень относительны, и их нужно рассматривать только как оценочные. Как и в слоях D и F, уровень ионизации в слое F падает ночью. Однако поскольку этот слой располагается гораздо выше, и плотность воздуха в нем гораздо меньше, рекомбинация происходит здесь гораздо медленнее. Так как ионизация сохраняется всю ночь, этот слой может оказывать влияние на распространение радиосигналов.

Ионосферные слои D и E влияют на распространение мириаметровых, километровых волн и гектометровых волн.Ионосферные слои E,F влияют на распространение: километровых, гектометровых и декаметровых волн.

Тропосферное распространение радиоволн. Тропосфера - это часть атмосферы, которая лежит ниже ионосферы. В тропосфере могут возникнуть области воздуха с различной температурой и давлением с четко ограниченными границами. В результате этого при благоприятных условиях радиоволны высокочастотных диапазонов отражаются от этих областей и отклоняются к земле. Таким образом, возможна связь на расстояния до несколько сот километров. Следует отметить, что эти процессы не регулярны, поэтому тропосферная радиосвязь нестабильна и непредсказуема.

Тропосферные слои влияют на распространение: метровых, дециметровых и сантиметровых волн.

Специальным решением Международного союза электросвязи (МСЭ) и Международной электротехнической комиссии (МЭК)принято различать следующие диапазоны радиочастот и соответствующих длин радиоволн (Таблица 2.1):

Таблица 2.1– Общепринятые обозначения диапазонов радиоволн

№	Диапазон		Условное обозначение диапазона частот	Наименование по длине волны
№	частот	длин волн	Условное обозначение диапазона частот	Наименование по длине волны
1	3-30Гц	10⁵-10⁴км	КНЧ (ELF) - крайне низкие частоты	Декаметрические
2	30-300Гц	10⁴-10³км		Мегаметрические
3	300-3000Гц	10³-10²км	УНЧ (ULF) - ультра низкие частоты	Гектокилометровые
4	3-30кГц	10 -100км	ОНЧ (VLF)- очень низкие частоты	Сверхдлинные (Мириаметровые)
5	30-300кГц	1 -10 км	НЧ (LF) - низкие частоты	Длинные (Километровые)
6	300-3000кГц	0,1 - 1 км	СЧ (MF) - средние частоты	Средние (Гектометровые)
7	3-30МГц	10 -100м	ВЧ (HF) - высокие частоты	Короткие (Декаметровые)
8	30-300МГц	1 -10 м	ОВЧ (VHF) - очень высокие частоты	Метровые
9	300-3000МГц	0,1 -1м	УВЧ (UHF) - ультра высокие частоты	Дециметровые
10	3-30ГГц	10-1см	СВЧ (SHF) - сверх высокие частоты	Сантиметровые
11	30-300ГГц	1-10 мм	КВЧ (EHF)- крайне высокие частоты	Миллиметровые
12	300-3000ГГц	0,1-1мм	ГВЧ - гипервысокие частоты	Децимиллиметровые
13	Оптические диапазоны волн.

Ультракороткие волны (УКВ), называемые иначе ультравысокими частотами (УВЧ), или сверхвысокими частотами (СВЧ), применяются для связи наземных радиостанций, как правило, при сравнительно небольших расстояниях в пределах до 100 - 200 км.

В УКВ диапазоне можно разместить очень большое число радиостанций без взаимных помех. Эти волны являются единственно пригодными для связи с космическими кораблями и для передачи телевидения. УКВ можно излучать узким пучком, в определенном направлении, подобно лучам прожектора, что позволило успешно применить их в радиолокации.

В настоящее время ультракороткие волны широко используются для связи, радиолокации, радионавигации и в других областях науки и техники. Осваиваются также субмиллиметровые волны с длиной волны в доли миллиметра.

На первых этапах развития радиотехники связь осуществлялась с помощью волн сверхдлинного и длинного диапазонов. Они имеют два существенных недостатка: во-первых, необходимость большой мощности передающего устройства из-за сильного поглощения волны при ее распространении над земной поверхностью и, во-вторых, невозможность передавать сообщения, скорость изменения которых соизмерима со скоростью изменения несущего колебания.

В радиовещании широкое применение нашли средние волны. В этом диапазоне осуществляется наиболее устойчивый прием, однако трудно обеспечить большую дальность (меньшая дифракционная способность по сравнению с более длинными волнами). Поэтому в этом диапазоне работает преимущественно местное радиовещание в зоне с радиусом в несколько сотен километров (если есть мощные станции этого диапазона, то можно обслужить и большую территорию).

Диапазон коротких волн позволяет обеспечить большую дальность действия при относительно малой мощности передатчика и направленном излучении антенны. Основным недостатком этого диапазона являются так называемые замирания - колебания уровня принимаемого сигнала, что приводит к искажению принятого сообщения. Исследования показали, что имеются оптимальные длины волн для различных часов суток и времени года. Короткие волны успешно применяют в радиовещании, радиотелеграфии на магистральных линиях связи, в морской и авиационной радионавигации.

Освоение диапазонов 8-12 (ОВЧ – ГВЧ)позволило развить такие области как телевидение и космическая связь. Благодаря распространению волн только в пределах прямой видимости и отсутствию поверхностной волны практически полностью исключены явления интерференции волн и, следовательно, искажения сообщений. Из-за высокой несущей частоты в этих диапазонах можно разместить большое число несущих, т.е. передавать большое число различных сообщений независимо друг от друга.

Большим достоинством высокочастотных диапазонов является возможность построения антенн, соизмеримых с длиной волны, только при этом условии имеет место эффективное излучение. Применение искусственных спутников Земли позволяет эффективно использовать распространение волн в пределах прямой видимости для построения систем связи большой дальности.

Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденцией к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано, прежде всего, с необходимостью создавать высокоэффективные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Дело в том, что антенна с узкой диаграммой направленности обязательно должна иметь поперечные размеры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условие легко выполнить в метровом, а тем более в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для мириаметровых волн имела бы совершенно неприемлемые габариты.

Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочастотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов со взаимно не пересекающимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, а с другой — применять широкополосные системы модуляции, например частотную модуляцию. При определенных условиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчивость работы радиоканала.

На выбор того или иного диапазона волн для каждой конкретной системы связи оказывают влияние следующие факторы:

а) особенности распространения электромагнитных волн данного диапазона, состояние пространства, в котором распространяется волна. Длинные волны сильно поглощаются землей, короткие и ультракороткие не огибают препятствия. Длинные, средние и короткие могут отражаться от верхних слоев атмосферы;

б) технические условия: направленность излучения, применение антенной системы соответствующих размеров, генерирование мощных колебаний и управление ими, схема приемного устройства. Направленность излучения можно обеспечить, если антенное устройство по размерам существенно превышает длину волны. Направленность имеет большое значение в радиолокации, радионавигации. Большая мощность колебаний требуется на длинных волнах вследствие поглощения землей, а на других диапазонах - при сверхдальней космической связи. Освоение новых диапазонов требует новых технических средств, вследствие чего переход в коротковолновую область происходил постепенно по мере освоения генерирующих устройств;

в) характер шумов и помех в данном диапазоне. Регулярно проводятся исследования прохождения радиоволн различных диапазонов;

г) характер сообщения (количество информации и связанная с этим ширина спектра (диапазон частот). Так, телевидение ввиду большой передаваемой информации должно иметь широкий спектр частот, поэтому оно возможно только на УКВ.

Существуют виды помех, искажающие передаваемые электромагнитные волны уже в канале распространителя. К числу таковых относятся: атмосферные помехи, обусловленные грозовыми разрядами и изменчивостью физических свойств атмосферы; индустриальные помехи, связанные с эксплуатацией электроустановок различного назначения; межсистемные помехи, создаваемые посторонними радиосредствами; преднамеренные помехи, умышленно излучаемые объектами, противодействующими той или иной РТС.

Кроме того, помехи возникают и на самой приёмной стороне, так как процессу преобразования волны в сообщение всегда сопутствуют шумы антенно-фидерного тракта и внутриприёмные шумы.

Диалектика прогресса радиоэлектроники такова, что, сколь бы внушительными не выглядели достижения в нейтрализации помех путём непосредственного воздействия на их источники (разработка новых образцов малошумящей приёмоусилительной аппаратуры, совершенствование мероприятий по регламентации радиосвязи и электромагнитной совместимости и пр.), требования к качеству передачи и извлечения информации в РТС растут опережающими темпами.

Основы радиотехнических систем

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 225; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!