Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

АКАДЕМИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ















РЕФЕРАТ

По дисциплине: Физика

Тема: «Классификация радиоволн и параметры антенных устройств».

































2008


Содержание



Введение…………….……………………………………………….……………3

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения…….4

Параметры антенн…………………………………….…………………………..9

Заключение…………………………………………………………………….…14

Список литературы…………………………………………………………...….15


Введение



В настоящее время широкое распространение получила техника связи, в которой используется приемо-передатчик, работающий в диапазоне радиоволн. Но мало кому известно, что это за волны, каковы принципы передачи информации с их помощью. В данной работе мы постараемся на доступном уровне рассказать о классификации радиоволн, о способах их распространения, а также проанализируем основные параметры радиопередающих антенных устройств. Ведь в современном мире радиосвязь, радиовещание имеют огромное значение.


Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения.



Одной из важнейших характеристик любой реальной радиолинии, является преобладающий способ распространения электромагнитной волны. Он ограничивает максимальную дальность связи и скорость передачи информации, определяет медианный множитель ослабления, период и глубину замираний сигнала, условия ЭМС различных радиоэлектронных средств и т. д. В свою очередь преобладание того или иного способа распространения на данной трассе определяется рабочей частотой. Поэтому, большую практическую значимость имеет деление радиоволн по диапазонам частот (волн) и по способам их распространения. 

Деление радиочастот и радиоволн на диапазоны, установлено международным регламентом радиосвязи. В соответствии с этим регламентом весь спектр электромагнитных волн и частот делят на ряд диапазонов, номера которых «n» определяют их нижние (исключительно) 0,310n Гц и верхние (включительно) 310n Гц частоты. При этом часть свободно распространяющихся в природных условиях ЭМВ, использующихся в радиотехнике для передачи сигналов, называют радиоволнами. К радиоволнам относятся диапазоны с n  412, наименование которых приведено в таблице 1. 

Таблица 1



n

Граничные частоты

Наименование диапазона частот

Граничные длины волн

Наименование диапазона волн

4

3–30 кГц

Очень низкие (ОНЧ)

100–10 км

Мириаметровые или сверхдлинные (СДВ)

5

30–300 кГц

Низкие (НЧ)

10–1 км

Километровые или длинные (ДВ)

6

0,3–3 МГц

Средние (СЧ)

1000–100 м

Гектометровые или средние (СВ)

7

3–30 МГц

Высокие (ВЧ)

100–10 м

Декаметровые или короткие (КВ)

8

30–300 МГц

Очень высокие (ОВЧ)

10–1 м

Метровые (МВ)

9

0,3–3 ГГц

Ультравысокие (УВЧ)

100–10 см

Дециметровые (ДМВ)

10

3–30 ГГц

Сверхдлинные (СВЧ)

10–1 см

Сантиметровые (СМВ)

11

30–300 ГГц

Крайневысокие (КВЧ)

10–1 мм

Миллиметровые (ММВ)

12

0,3–3 ТГц

Гипервысокие (ГВЧ)

1–0,1 мм

Децимиллиметровые (ДММВ)



Опираясь на принятую десятичную классификацию, ширину спектра соответствующего диапазона определяют по формуле:

.		(1)

Эволюцию практического использования диапазонов радиоволн можно обозначить несколькими этапами. 

На первом этапе развития радиотехники (примерно до 1918 года), потребности радиосвязи удовлетворялись в основном за счёт использования диапазонов СДВ и ДВ. Электромагнитные волны указанных диапазонов обладают хорошим круглосуточным распространением вокруг Земли и поэтому наиболее пригодны для систем глобальной радиосвязи, радионавигации и морской подвижной радиосвязи.

В то же время, к недостаткам практического использования указанных диапазонов следует отнести: громоздкостью антенных устройств, наличие высокого уровня атмосферных и промышленных помех, низкую пропускную способностью радиотракта.

На втором этапе (примерно до 1940года), с появлением и развитием таких областей прикладной радиотехники как: радиосвязь и радиовещание, радионавигация и радиолокация, возникла необходимость в использовании более высокого диапазона радиочастот. В частности, стали осваиваться СВ, имеющие те же преимущества и недостатки (но менее выраженные), что и ДВ, а также KB, которые на большие расстояния распространяются путём многократного отражения от земной поверхности и ионосферы. Радиоволны КВ диапазона оказались пригодными не только для глобальной радиосвязи и радиовещания, но и для различных систем подвижной и радиолюбительской связи. Однако в точку приёма радиоволны КВ диапазона как правило приходят различными путями, что приводит к явлению интерференции ЭМВ и, как следствие, к быстрым и глубоким изменениям уровня принимаемого сигнала.

Наконец на третьем, современном этапе, когда быстрыми темпами продолжают  развиваться прежние службы радиосвязи и появились новые (подвижная и космическая радиослужбы, телеметрия, телеуправление и др.), радиоспециалисты были вынуждены обратиться и к остальным диапазонам радиоспектра.

Самое широкое применение в различных областях практической деятельности человека нашли MB. Электромагнитные волны этого диапазона слабо подвержены таким явлениям как дифракция и рефракция, но, в то же время, испытывают сильное ослабление при распространении вдоль поверхности Земли. В диапазоне МВ уровень атмосферных и индустриальных радиопомех значительно меньше, чем в выше рассмотренных диапазонах и поэтому доминирующими становятся помехи космического происхождения.

Распространение ДМВ и СМВ, так же как и МВ ограничивается, как правило, областью прямой видимости. Однако за счет механизма рассеяния и отражения электромагнитных волн слабыми неоднородностями тропосферы, экспериментально обнаруженного в начале 50-х годов, радиосвязь в этих диапазонах может осуществляться и на значительно большие расстояния, чем расстояние прямой видимости.

ДМВ и СМВ используются, как правило, в радиолокации, радионавигации, телевидении, в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи, так как в этих диапазонах острую направленность антенн можно получить в совокупности с относительно небольшими их габаритами. Кроме этого, практическое отсутствие в диапазонах ДМВ и СМВ индустриальных радиопомех, а также слабой зависимости условий распространения ЭМВ от метеорологических условий, времени суток и года, увеличивает привлекательность их дальнейшего использования.

Несмотря на многолетние исследования, ММВ и ДММВ используются пока еще недостаточно широко. Основной причиной отсутствия значительного прогресс в области их практического применения является сильная зависимость условий распространения ЭМВ указанных диапазонов от дождя, снега, тумана, облаков, пылевых образований и других природных явлений.

Следует подчеркнуть, что нарезание одинаковых по перекрытию участков (10:1) придаёт современной системе классификации несколько формальный, искусственный характер. 

Резкие разграничения в свойствах волн различных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны плавно переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте, такое деление полностью оправдало себя.

Гораздо более сложным и строгим является деление радиоволн по механизмам и способам распространения. В принципе, в природе существует единый процесс возбуждения электромагнитного поля во всём окружающем пространстве. Однако в общем случае строгий метод расчета такого поля в настоящее время недоступен. В то же время, на реальных радиотрассах большая часть энергии поля сигнала переносится в пункт приёма за счет одного, преобладающего механизма распространения. Поэтому классификацию ЭМВ по способу их распространения целесообразно увязывать с такими присущими им явлениями как рефракция, дифракция, рассеяние, отражение и преломление показанными на рисунках (710). 






























Радиоволны, излучаемые передающей антенной могут распространяться в атмосфере Земли, вдоль ее поверхности, в толще 

Земли и в космосе достигая точки приема по траекториям, показанным на рисунке 11.


В зависимости от вида траектории ЭМВ различают:

1) прямые РВ – рисунок 11г;

2) поверхностные РВ – рисунок 11а;

3) тропосферные РВ – рисунок 11в; 

4) ионосферные РВ – рисунок 11б.

Прямые волны – это радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабонеоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям.

Поверхностные волны – радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции.

Тропосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000км) расстояния за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Ионосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.


Параметры антенн.



Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными. Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника. Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи.



Параметры и характеристики передающих антенн



Принципиальным отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения. 

Антенна по отношению к передатчику с одной стороны выполняет функцию нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является  комплексным. 

 		(2)

	где  – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны;

  реактивная составляющая входного сопротивления,  соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны .

С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне:

 		(3)

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами. 

Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности . Эти величины зависят от расстояния и направления излучения, то есть от углов   и  сферической системы координат. Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны называется характеристикой направленности, то есть

        		(4)

Обычно характеристику направленности нормируют к единице путем деления ее на величину максимальной напряженности поля, создаваемой в направлении максимума излучения:

.		(5)

Иногда пользуются понятием характеристики направленности по мощности, которая равна квадрату характеристики направленности по полю. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.

Построение диаграммы направленности возможно в полярной или прямоугольной системах координат. В общем случае может быть построена пространственная диаграмма направленности, но так как данная процедура весьма затруднительна, то на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений, например сечений двумя ортогональными плоскостями, проходящими через максимум излучения. На рисунке 12.а показана пространственная диаграмма направленности антенны, обладающей остронаправленным излучением, а также изображение этой диаграммы для одной плоскости в полярной (рисунок 12б) и прямоугольной (рисунок 12в) системах координат.

Степень концентрации электромагнитной энергии в главном направлении характеризуется шириной главного лепестка (шириной диаграммы направленности). Шириной диаграммы направленности называют угол между двумя направлениями, в пределах которого напряженность поля уменьшается в  раз, а мощность  в два раза по сравнению с ее максимальным значением. На рисунке 13 показан пример определения ширины главного лепестка диаграммы направленности по полю. 

Для количественной оценки свойства антенны концентрировать излучение энергии ЭМВ в определенном направлении вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны  к мощности излучения данной антенны , создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля: 

                 ,                                 (6)



Рис12.





Рис.13

Для произвольного направления КНД определяется соотношением:

	 		(7)

КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне. 

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны (КУ).

КУ принято обозначать через  и количественно определять соотношением:

 		(8)

	Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

	Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении главного излучения, с током в передающей антенне, имеет размерность длины и называется действующей длиной антенны. С физической точки зрения действующую длину антенны можно представить как длину некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей в направлении максимума излучения ту же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна. Геометрическая интерпретация данного определения показана на рисунке 14.





Рис. 14



Параметры и характеристики приемных антенн.



Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн можно использовать и для характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл.

Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная площадь антенны "А", позволяющая оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

Эффективной площадью антенны "А" называют отношение максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку к величине вектора Пойнтинга "П" приходящей плоской волны:

		(9)

С физической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны.

Между эффективной площадью "А" и коэффициентом усиления антенны  существует простая связь:

.


Заключение.



Итак, в этой работе мы постарались рассмотреть наиболее широко распространенную классификацию радиоволн. И видим, что она достаточно широка, а современная наука и техника не стоит на месте, а стремительно движется вперед. Возможности радиодиапазона далеко не исчерпаны и таят в себе огромный потенциал для дальнейших исследований, дальнейшего расширения диапазона. Для этого необходимы новые конструкторские решения, которые в частности касаются и антенно-фидерных устройств, составную часть которых, а именно антенное устройство, мы рассмотрели в данном реферате; ознакомились с его основными параметрами. Поэтому считаю, что радиоэлектронику ждет великое будущее, и она сыграет значимую роль в развитии цивилизации. 


Список литературы.



"Электродинамика и распространение радиоволн" С.Сергеев, Орел, ВИПС

«Основные закономерности распространения прямых радиоволн и работы радиолиний». Лазоренко, Орел, ВИПС