Лекции.ИНФО


Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн.



В диапазоне УКВ используются преимущественно антенны, обла-
дающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости. При
малой длине волны такие антенны получаются достаточно компакт-
ными, что дает возможность, не встречая больших технических труд-
ностей, делать их вращающимися. Благодаря этому имеется возмож-
ность, получая большой выигрыш в мощности и уменьшая взаимные
помехи радиостанций, осуществлять связь по любым желаемым на-
правлениям.

Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы:
вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наиболее
часто используются различные симметричные и несимметричные
вибраторы.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы
антенн.

Самой простой приемной антенной является ди-
польная антенна (линейный полуволновой вибратор) (рис. 1.25, а),
а наиболее удобным в конструктивном отношении - петлевой вибра-
тор Пистолькорса (см. рис. 1.25, б). Этот петлевой вибратор можно
рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, распо-

ложенных на малом расстоянии друг от друга. В точке "с" вибратора
располагаются пучность тока и узел напряжения, что соответствует
режиму короткого замыкания. В точках b и d, отстоящих от с на
образуются узел тока и пучность напряжения. На зажимах антенны
а и е возникает пучность тока. Наличие узла напряжения в точке с
позволяет крепить вибратор в этой точке к стреле или мачте непо-
средственно без изоляторов.

Описанные антенны обычно могут обеспечить качественный прием
а сравнительно небольших расстояниях
, так как они являются слабонаправленными (см. рис. 1.25, в).
Для приема на больших расстояниях или при неудовлетворительных
условиях приема на малых расстояниях применяются более сложные
антенны, имеющие лучшую направленность.

В диапазоне метровых волн в качестве направленных антенн
большое распространение получили антенны типа «волновой канал».
Антенна «волновой канал» (рис. 1.26) состоит из активного вибратора
А, рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2, ДЗ. Из приведенной
на рис. 1.26, б диаграммы направленности видно, что коэффициент
усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать
на помехи с других направлений. Принцип действия рефлектора и ди-
ректора рассмотрен нами выше.

Антенна типа «волновой канал» может работать и как передающая
антенна. Активный вибратор А в этом случае излучает электромаг-
нитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении ди-
ректоров. Под воздействием этого поля в рефлекторе наводится ток,
который создает вторичное поле - поле излучения рефлектора. Если
длину рефлектора выбрать равной а расстояние между

рефлектором и активным вибратором то вторичное по-

ле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле активного
вибратора на угол около 90°. Результирующее поле за рефлектором
будет равно разности напряженностей полей, созданных активным
вибратором и рефлектором. В главном направлении – направлении

директоров и далее - поля от активного вибратора и рефлектора бу-
дут складываться в одной фазе и результирующее поле увеличится.
В реальной антенне опережение фазы тока в рефлекторе несколько
отличается от 90°, а амплитуда тока в рефлекторе несколько меньше,
чем в активном вибраторе. Поэтому некоторая часть энергии излуча-
ется антенной за рефлектор.

Директоры антенны возбуждаются результирующим полем актив-
ного вибратора и рефлектора. Для того чтобы вторичное поле дирек-
торов повышало напряженность поля в главном направлении, наве-
денные в них токи должны отставать по фазе от тока активного виб-
ратора. Это достигается соответствующим выбором длин директоров
и их взаимным расположением. Длины директоров выбирают равны-
ми . Расстояние между директорами и первым директо-
ром и активным вибратором выбирают С уменьшением
расстояний между активными и пассивными вибраторами ток в пас-
сивных вибраторах увеличивается, но при этом за счет влияния по-
следних сильно уменьшается входное сопротивление активного виб-
ратора. Для облегчения согласования антенны с фидером активный
вибратор часто выполняют петлевым.

Установка антенн на судне

На параметры УКВ-антенн, обычно устанавливаемых высоко на мачтах, основное влияние оказывают сами мачты и расположенные вблизи предметы, которые находятся примерно в пределах десяти длин волн от возможного расположения антенн.

При размещении УКВ-антенн на мачтах необходимо учитывать следующее:

1. УКВ-антенны рекомендуется устанавливать на вершине и реях судовых мачт, на небольших мачтах, расположенных на площадках антенн РЛС, па верхнем мостике судна, на грузовых колонках. Во всех случаях желательно выбирать наиболее высокое место судна, конструктивно подходящее для установки антенны.

2. Если на одной мачте необходимо устанавливать две УКВ-антенны (например, от двух судовых радиостанций), то для уменьшения взаимного влияния между радиостанциями антенны следует располагать коллинеарно, с разносом по вертикали не менее чем на 2—3 м.

3. При установке УКВ-антенны на реях металлической мачты ее влияние на антенну проявляется в образовании в горизонтальной плоскости многолепестковой диаграммы направленности, форма которой зависит от расстояния между антенной и мачтой. Число лепестков в диаграмме равно числу четвертей длин волн, укладывающихся по прямой между антенной и мачтой.

При расстоянии от антенны до мачты d/ — 0,25 диаграмма направленности антенны получается однолепестковой, ориентированной в направлении, противоположном мачте (0°); при расстоянии d/ = 0,5 диаграмма направленности антенны получается вытянутой в боковых направлениях (90—270°), при d/ =0,75— трехлепестковой и т. д. По мере дальнейшего увеличения разноса число лепестков в диаграмме возрастает, но глубина провалов становится меньше и форма диаграммы направленности антенны постепенно приближается к круговой.

4. При выборе места установки УКВ-антенн исходят из конструктивных возможностей и характера получаемых диаграмм направленности:

а) при малых диаметрах мачт (D/ <0,1) разнос, равный 0,75 (1,5 м), является минимально допустимым с точки зрения обеспечения достаточно равномерного излучения во всех направлениях;

б) при больших диаметрах мачт (D/ >0,1) для обеспечения достаточно равномерного излучения разнос рекомендуется брать не менее 1,25 , (2,5 м);

в) для получения однонаправленной диаграммы расстояние между антенной и мачтой следует брать равным 0,25 .

5. Глубина провалов в диаграмме направленности антенны возрастает по мере увеличения диаметра мачты (D). Эта зависимость особенно сильна при изменении D от 0,1 до 0,5 .

 

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко приме-
няется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной явля-
ется открытый конец металлической трубы прямоугольного или круг-
лого сечения, так называемого волновода. Излучающая часть антен-
ны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода можно
рассматривать как многовибраторную антенну, образованную из
большого числа элементарных излучателей. Но такая антенна имеет
ряд недостатков. Резкое изменение условий распространения на от-
крытом конце волновода приводит к значительному отражению

Кроме того, в раскрыве имеет место огибание излученными волнами краев конца волновода, что ухудшает направленные свойства антенны.
Для уменьшения отражений и улучшения направленных свойств ко-
нец волновода выполняют в виде рупора (рис. 1.28).

Направленность рупорной антенны увеличивается с ростом пло-
щади раскрыва рупора. В качестве
самостоятельных антенн рупоры при-
меняются редко, но часто входят в
конструкцию многих более сложных
антенн. Одной из них является зер-
кальная параболическая рефлектор-
ная антенна (рис. 1.29). В ней роль отражателя выполняет металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра. При этом антенна излучает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент на правленного действия таких антенн очень высок и достигает 104.

Недостаток рассмотренной антенны состоит в том, что часть энер-
гии, отраженной от зеркала, попадает обратно через рупор в волно-
вод. Это снижает эффективность передачи энергии и приводит к ис-
кажениям передаваемого сигнала. От этого недостатка свободна
рупорно-параболическая антенна (рис. 1.30).

Из волновода 1 высокочастотная энергия поступает в пирами-
дальный рупор 2, являющийся облучателем сегмента параболоида
вращения 3. Излученные антенной волны получаются плоскими, так
как фазовый центр рупора, расположенный в его вершине, находится
в фокусе параболоида. Для хорошего согласования рупора с волно-
водом угол раскрыва выбирается равным 30...40°, а длина рупора
Коэффициент усиления антенны растет с возрастанием пло-
щади раскрыва антенны S. При площади раскрыва 6...8 м2 коэффи-
циент усиления равен 104. В этом случае ширина диаграммы направ-
ленности равна примерно 2° как в горизонтальной, так и в вертикаль-
ной плоскостях.

Разновидностью зеркальных антенн являются перископические
антенны (рис. 1.31), позволяющие при помощи зеркал передавать вы-
сокочастотную энергию на вершину башни без линии или волновода.
Поступающая от передатчика энергия излучается рупорной антенной
в сторону эллипсоидального зеркала 3, расположенного у подножия

мачты под углом 45° к горизонту. Зеркало отражает падающие на него
волны перпендикулярно вверх на плоское зеркало, установленное на
вершине мачты также под углом 45°. Вторым зеркалом волны отра-
жаются в нужном направлении. Коэффициент полезного действия
передачи энергии в перископической антенне - порядка 50 %, что
выше, чем если бы энергия подавалась наверх по волноводу.

РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ

Как уже указывалось дальность распространения ра-
диоволн микроволновых диапазонов вдоль земной поверхности,
как и дальность световой сигнализации, ограничена пределами
геометрической видимости между пунктами расположения пере-
дающей и приемной антенн; дифракция лишь не-
много увеличивает эту дальность. Поскольку, только в этих диапазонах возможна передача больших потоков информации с шириной частотных спектров в мегагерцы и десятки мегагерц, получили развитие системы радиосвязи с последовательными ретрансляциями передаваемых сигналов РАДИОРЕЛЕЙНОЙ связи. Радиосигналы, принятые в пределах
геометрической видимости каждой из станций, например С, на рис.
5.1, усиливаются, а при необходимости проходят и иную дополни-

тельную обработку и передаются к станции С2 от которой затем
они передаются к С3 и т. д. Одновременно идут и сигналы с проти-
воположного направления.

Ограничение дальности распространения волн можно счи-
тать недостатком микроволновых диапазонов, так как усложняет
систему радиосвязи на больших расстояниях; но с другой точки
зрения оно оказывается достоинством, так как позволяет приме-
нять одни и те же частоты на пространственно разнесенных участ-
ках территории, где благодаря относительной взаимной отдален-
ности этих участков взаимные помехи не проявляются.

Рис.5.1

Радиорелейные линии связи (РРЛ), как и коаксиальные и во-
локонно-оптические кабельные магистрали, служат для многока-
нальной передачи сотен и тысяч телефонных сообщений, ряда
телевизионных программ, высокоскоростной передачи данных
в буквенно-цифровой форме от многих корреспондентов и др.

К числу относительных преимуществ РРЛ по сравнению
с подземными кабелями относятся:

• техническая реализуемость и экономическая целесообраз-
ность прокладки этих линий связи в местах с повышенной сложно-
стью и стоимостью работ по подземной и подводной прокладке
кабелей;

• меньшая вероятность повреждений, а также меньшие
трудности их обнаружения и исправления;

• возможность ответвления и ввода информации без более
сложных работ, требующих вскрытия подземных кабельных линий.

Очевидный недостаток РРЛ по сравнению с кабелями, как и
недостаток радиосвязи вообще, - открытое распространение волн
в окружающем пространстве и открытое расположение всех техни-

ческих сооружений. Это обстоятельство может увеличивать воз-
можность повреждения технических средств в некоторых ситуаци-
ях, а также снижает защищенность передаваемой информации от
перехвата.

Состав оборудования РРЛ

Типичная структурная схема радиорелейной связи изобра-
жена в упрощенном виде на рис.5.2; здесь М и N - оконечные
пункты, между которыми устанавливается многоканальная связь
через промежуточные станции ПС. Сигналы на ПС принимаются
приемниками ПР и передаются далее через передатчики ПД;
А - передающие и приемные антенны. На схеме показаны только
три промежуточные станции ПС1-ПСЗ, тогда как на действующих
РРЛ их число может составлять 10...20 и более. На отдельных
станциях, обычно называемых узловыми, возможно выделение
и ответвление части каналов связи, как это на рис.5.2 показано для
станции ПСЗ; соответственно в состав оборудования этих станций
вводится аппаратура выделения каналов АВ. Эта аппаратура по-
зволяет также вводить новые каналы, которые могут быть направ-
лены в обе стороны от ПСЗ. В частности выделение телевизион-
ного канала позволяет осуществлять затем телевизионную пере-
дачу через передатчик, расположенный в населенном пункте на
трассе радиорелейной линии.

ОС1 и ОС2 - оконечные станции. В состав этих станций по-
мимо передатчика ПД и приемника ПР входят интерфейсы ИФ,
связывающие их с внешними средствами связи; в данном случае -
через АТС с телефонными сетями ТС, а также с телецентрами ТЦ.

В интерфейсе групповые сигналы телефонных абонентов и
спектры телевизионных программ в рассматриваемом примере
уплотняются в единый многоканальный спектр, т. е. ИФ представ-
ляет собой аппаратуру уплотнения (АУ).

Передатчик ПД оконечной станции ОС1 излучает через ан-
тенну А модулированной сигнал со средней частотой f-,. На проме-
жуточной станции ПС1 этот сигнал принимается приемником ПР,
усиливается, преобразуется и излучается через антенну передат-
чика ПД с другой частотой f2. Различие частот устраняет возмож-
ность вредного воздействия мощного сигнала передатчика на при-
емник той же станции. На следующей промежуточной станции ПС2
приемник ПР настраивается на частоту f2, а передатчик может из-
лучать сигнал с частотой f1t поскольку действие передатчика стан-
ции ОС1 в районе действия ПС2 и передатчика ПС2 в районе дей-
ствия ПС1 уже не проявляется.


В отдельных случаях волны могут распространяться не
только на расстояние прямой видимости, но и на большее рас-
стояние. Это приводит к нежелательным последствиям, если стан-
ция будет принимать сигнал одинаковой частоты не только со сто-
роны смежного участка, но и от передатчика одной из более отда-
ленных станций. Интерференция сигналов в таких случаях может
приводить к искажениям принимаемых сообщений. Чтобы избе-
жать помех этого рода прибегают к зигзагообразному расположе-
нию участков линий подобно тому, как это показано на рис.5.3.
Излучение от передатчика станции ПС1 на частоте f1 минует стан-
цию ПС4 и уйдет в направлении Х1; излучение от передатчика
станции ПС4 на частоте f2 уйдет в направлении Х2 и минует стан-
цию ПС1 и т.д.

Для передачи в одном направлении двух или более телеви-
зионных программ и больших потоков другой информации на каж-
дой станции устанавливается по несколько передающих и прием-
ных комплектов аппаратуры, работающих в разных частотных ка-
налах. Совокупность оборудования, обеспечивающего связь
в каждом направлении по одному радиочастотному каналу, назы-
вается стволом РРЛ.


Аппаратура станций РРЛ размещается в общих помещениях
(например, в башнях, на вершине которых монтируется антенна),
и обеспечивается общим электрооборудованием, поэтому система
из нескольких стволов дешевле, чем несколько отдельных РРЛ.
Значительную экономию средств дает также использование еди-
ной общей антенны для нескольких стволов. Это возможно пото-
му, что ширина пропускаемого частотного спектра - полоса про-
пускания антенны - значительно шире полосы пропускания аппа-
ратуры одного ствола

Схема оборудования магистрали с четырьмя стволами (их
число может быть больше) показана на рис.5.4. Здесь ПР1-ПРЗ -
приемники 1-4 стволов, ПД1-ПД4 - соответственно передатчики.
Частотные спектры отдельных стволов разделяются с помощью
фильтров Ф в волноводах, связывающих аппаратуру с антеннами
А через цепи связи ЦС.

На оконечных станциях ОС1 и ОС2 расположенных в пунктах
М и N, АУ1 и АУ2 - аппаратура уплотнения в составе соответст-
венно передающего и приемного оборудования.

На станциях РРЛ имеется резервное оборудование, на кото-
рое переключается нагрузка (проходящие потоки сигналов) при
неисправности какого либо из стволов. Кроме того, имеется ком-
плект аппаратуры служебной связи для дистанционного управле-
ния, автоматического контроля, разного рода сигнализации, опера-
тивных переговоров обслуживающего персонала и т.п.

Размещение станций

Расстояние между станциями зависит от высоты, на которой
располагаются антенны. Для случая РРЛ, сооружаемой на ровной
поверхности, расстояние можно определить из рис.5.5, где R -

средний радиус Земли (R = 6370 км), h1 и h2 - высота располо-
жения антенн A1 и A2 на мачтах или башнях. Предполагается, что
прямая линия, изображающая траекторию волн и состоящая из
отрезков d1 и d2, почти касается земли.

Если антенны сблизить, то зазор между лучом и землей уве-
личится, если же разнести их на большее расстояние, то при той
же высоте антенн волны проходить не смогут, как видно из рис.
5.5, а.

Рис.5.5

Применяя теорему Пифагора и учитывая, что высоты h1, и h2
малы в сравнении с радиусом земли R, нетрудно определить расстояние D между антеннами А1 и А2, равное сумме d1, + d2:

При этом км. С учетом небольшого огибания

волнами земной поверхности принимают

 
 


Здесь D измеряется в километрах, h1 и h2 - в метрах. Напри-
мер, при h1 = h2 = 25 м получается D = 40 км. Значительное увели-
чение высоты башен резко увеличивает их стоимость, поэтому
обычно D-40...60 км.

Если между станциями РРЛ имеются возвышенности или го-
ры, на которых размещение станций почему-либо затруднительно,
либо водные или иные преграды, то их можно обойти, применяя
«пассивные ретрансляторы» - металлические отражатели волн в
виде щитов площадью 30...40 м2. Примеры трасс с одним и двумя
отражателями между станциями С1 и С2 представлены на рис.5.6.

Рис.5.6

•Увеличение расстояний между отдельными станциями РРЛ
может в ряде случаев достигаться путем размещения их на высо-
ких сооружениях, а также на холмах и горных вершинах. В качест-
ве одного из путей увеличения расстояний, несколько десятилетий
тому назад предлагалось применение аэростатных ретранслято-
ров: станция располагалась на высоте нескольких километров на
аэростате. Электропитание аппаратуры подавалось по кабелю,
совмещенному с тросом, на котором удерживался аэростат. Этот
путь не получил практического развития. Фундаментальным реше-
нием проблемы связи в микроволновых диапазонах на любых рас-
стояниях стало применение спутниковых ретрансляторов.

 









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-26; Просмотров: 243;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная