Основы теории антенн и распространения радиоволн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы теории антенн и распространения радиоволн

Содержание

1. Назначение передающих и приемных антенн

2. Влияние окружающей среды на условие распространения радиоволн

3. Классификация радиоволн по диапазонам

4. Основные задачи теории антенн и теории распространения радиоволн

1. Назначение передающих и приёмных антенн

Антенны являются обязательным элементом любой системы радиосвязи, использующих для передачи информации свободное распространение электромагнитных волн. Существенное влияние на работу этих систем оказывает среда, в которой происходит свободное распространение волн [2].

Чтобы превратиться в энергию излучаемых радиоволн, первичная энергия предварительно преобразуется в энергию токов высокой частоты; эти токи модулируют, т.е. их амплитуду, фазу или частоту определенным образом видоизменяют под воздействием передаваемого сигнала. Модулированные токи высокой частоты (ВЧ) поступают в антенну, которая и преобразует их в энергию электромагнитных волн (радиоволн) соответствующей длины, излучаемых так, чтобы обслужить определенное направление или определенную заданную площадь. Это преобразование энергии должно быть выполнено с наименьшими потерями: антенна должна быть устроена таким образом, чтобы наибольшая часть энергии токов высокой частоты была превращена в энергию электромагнитных волн. Радиоволны должны излучаться не во все стороны, а преимущественно в определенном направлении или в определенной плоскости [4].

По назначению антенны делятся на передающие, приемные или приемопередающие. Любая антенна, предназначенная для передачи, может быть применена и для приема. Однако электрические характеристики приемных и передающих антенн и связанные с этим конструктивные особенности могут резко отличаться. Поэтому может оказаться, что антенна, обладающая высокими показателями как приемная, будет недостаточно эффективна в качестве передающей и наоборот.

Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты (электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика) в энергию радиоволн - возмущение электромагнитного поля. Преобразование основано на том, что переменный электрический ток - источник электромагнитных волн. Это свойство переменного электрического тока впервые установлено Г. Герцем в 80-х гг. 19 века на основе работ Дж. Максвелла.

Работа приемной станции осложняется тем обстоятельством, что приемная антенна находится под воздействием не только одной полезной электромагнитной волны, но и радиоволн, создаваемых другими радиостанциями, разрядами атмосферного электричества и промышленными аппаратами. Вредное действие ненужных волн может быть устранено двумя принципиально различными путями: с помощью избирательности по частоте, когда приемник выделяет только узкий спектр частот, необходимый для приема радиоволны интересующей станции; с помощью избирательности по направлению, когда приемная антенна наилучшим образом выделяет лишь электромагнитные волны, приходящие со стороны передающей радиостанции.

Приёмная антенна выполняет обратную функцию - преобразование энергии распространяющихся радиоволн (электромагнитных возмущений) в энергию электрического тока, сосредоточенную во входных колебательных цепях приёмника.

Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение излучаемой энергии в пространстве. В соответствии с этим одной из основных характеристик антенн является характеристика (или диаграмма) направленности - зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения; при этом точка наблюдения должна находиться на неизменном большом расстоянии от антенны (в дальней зоне). Требования к направленности антенн в системах подвижной радиосвязи колеблются в очень широких пределах в зависимости от их назначения в сети связи.

Для приёмных антенн диаграмма направленности (ДН) - это зависимость тока в нагрузке антенны или приёмнике или ЭДС, наводимой на входе приёмника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приёмных антенн позволяет не только увеличивать мощность, выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, т. е. повышает качество приёма.

Необходимо отметить, что из возможности использовать любую передающую антенну для приёма электромагнитных волн и наоборот, не следует, что передающие и приёмные антенны всегда идентичны по конструкции. Даже для одного и того же типа антенны в передающем режиме, в отличие от приёмного режима, необходимо решать специфические проблемы. Проблемы, связанные, например, с высоким уровнем мощности, поступающей от передатчика и могущей вызвать неисправность антенны.

В современных системах подвижной радиосвязи, как правило, используют приёмо-передающие антенны, собранные в одном корпусе. Это упрощает эксплуатацию антенного оборудования в системах подвижной радиосвязи общего пользования.

Важную роль в работе антенных устройств играет линия питания (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приемнику (в режиме приёма). Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям.

На работу любой радиолинии существенное влияние оказывает среда распространения, являющаяся связующим звеном между приёмной и передающей антенной. В простейшем случае, когда распространение происходит в свободном пространстве, это влияние заключается только в ослаблении поля за счёт расходимости волны. В случае реальных сред оно значительно сложнее.

2. Влияние окружающей среды на условия распространения радиоволн

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 (рис. 1).

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:

1. Рассчитать мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий);

2. Определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;

3. Определить истинную скорость и направление прихода сигналов;

4. 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.

Рис. 1 Среда распространения радиоволн

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, называют земными радиоволнами. Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью е, равной единице.

Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки. В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.

3. Классификация радиоволн по диапазонам

Передача информации на малые и большие расстояния может осуществляться с помощью электромагнитных волн (радиоволн), свободно распространяющихся в пространстве со скоростью света С=300000 км/с. Электромагнитные волны являются одним из видов материи и представляют собой периодически меняющиеся и взаимно связанные переменные электрическое и магнитное поля [3].

Радиоволны занимают часть спектра электромагнитных колебаний, ограниченную пределами 3 кГц -- 3000. Указанные колебания обладают разными свойствами при их генерировании, усилении и распространении.

Спектр радиоволн делится на несколько диапазонов (Таблица 1.1)

Следует помнить, что такое деление весьма условно, так как резкой границы между диапазонами не существует.

В любой радиолинии между передающим и приемным пунктами находится природная среда (атмосфера, искусственные сооружения и естественные препятствия), которая нами не управляется. Физические свойства среды, в которой распространяются радиоволны, подвержены непрерывному и случайному изменению из-за естественных явлений в природе.

Спектр радиоволн, используемых в подвижной сотовой радиосвязи, ограничивается промежутком от 300 МГц до 3 ГГц. Это диапазон ультравысоких частот (выделен в таблице 1 тёмным цветом).

Таблица 1

Классификация радиоволн по диапазонам

4. Основные задачи теории антенн и теории распространения радиоволн

радиоволна антенна среда непрерывный

Основные задачи теории антенн можно разделить на 2 класса - задачи анализа и задачи проектирования. Если конфигурация антенны полностью известна и известны электрические параметры образующих её проводников и диэлектриков, то задача анализа заключается в нахождении электрических характеристик антенны. Эта задача в свою очередь сводится к определению электромагнитного поля во всех точках пространства, окружающего антенну, что позволяет, в конечном счете, получать такие основные характеристики, как диаграмма направленности, входное сопротивление (или уровень согласования антенны с питающим фидером) и другие. В настоящее время более широкое применение нашли приближённые методы решения задач анализа, согласно которым расчёт антенн разделяется на две части: «внутреннюю» и «внешнюю» задачи.

Внутренняя задача заключается в определении распределений токов в антенне (реальных или эквивалентных) по заданным формам, размерам, расположению элементов антенны в пространстве, способу их возбуждения и длине волны.

Внешняя задача заключается в том, что по известному распределению токов определяется поле излучения антенны, при этом широко используется метод суперпозиции, сводящийся к разбиению антенны на элементарные излучатели и последующему суммированию их полей.

Далее по найденному полю антенны определяются ее направленные, поляризационные и другие свойства. Разработаны приближенные и строгие методы решения внутренней задачи. В строгой постановке эта задача для каждой конкретной конструкции антенны представляет собой самостоятельную и, как правило, весьма сложную задачу. Решение ее заключается в решении неоднородных уравнений Максвелла при заданных на элементах антенны граничных условиях.

Задачей проектирования является нахождение геометрических размеров конструкции, обеспечивающей требуемые электрические характеристики.

Решение основных задач теории антенн, особенно в строгой постановке требует применения ПЭВМ. При этом ПЭВМ используется в качестве расчетного инструмента не только для быстрого получения характеристик исследуемых антенн, но и для ускорения и повышения качества проектирования антенно-фидерных устройств, что достигается применением систем автоматизированного проектирования (САПР).

Основными задачами теории распространения радиоволн, применительно к системам радиосвязи, являются задачи:

1. Изучение электромагнитных свойств реальных сред, в которых радиоволны свободно распространяются на линиях Земля - Земля и Земля - космический аппарат. Именно от этих свойств зависят условия распространения.

2. Изучение законов свободного распространения радиоволн вдоль земной поверхности, в атмосфере и космическом пространстве. Здесь закладывается общая теоретическая база для расчётов и проектирования конкретных радиолиний.

3. Ознакомление с инженерными методами расчёт условий распространения радиоволн различных диапазонов применительно к системам подвижной радиосвязи.

Литература

1. С.Н. Шабунин, Л.Л. Лесная. Распространение радиоволн в мобильной связи: Методические указания по курсу «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи». Екатеринбург: УГТУ, 2000. 38 с.

2. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1996. 486 с.

3. Бушуй Л.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Методические указания по изучению теоретического курса раздела «Распространение радиоволн». Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. 41 с.

4. И.П. Заикин, А.В. Тоцкий, С.К. Абрамов, В.В. Лукин. Основы теории антенн. Учеб. пособие. Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2005. 101 с.

Размещено на Allbest.ru