Антенные устройства

Антенные устройства. являются неотъемлемой частью передающих и приемных радиоэлектронных средств.

Причем их конструкция остается неизменными в режимах передачи и приема, за исключением тех случаях, когда излучается большая мощность. В этом случае приходится принимать дополнительные меры по предотвращению электрического пробоя в высоковольтных цепях передающей антенны, необходимость в которых отсутствует для приемной. В общем случае принцип обратимости позволяет передающую антенну использовать в качестве приемной и наоборот.

Характер поляризации электромагнитной волны зависит от конструкции и расположения излучающих элементов антенны. Несоответствие поляризации электромагнитной волны пространственной ориентации элементов приемной антенны, в которых наводятся электрические заряды, приводит к уменьшению величины этих эарядов. Радиоволны в зависимости от условий распространения делятся на земные (поверхностные), прямые, тропосферные и ионосферные (пространственные). Земными называются радиоволны, которые распространяются в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибают ее поверхность благодаря явлению дифракции.

Прямыми названы радиоволны, распространяющиеся прямолинейно в атмосфере и космосе. Радиоволны, которые распространяются в тропосфере - приземной неоднородной области атмосферы не выше 10-12 км от поверхности Земли, называются тропосферными. В тропосфере происходит рассеивание, а также частичное искривление траектории и отражение радиоволн от неоднородностей тропосферы.

Ионосферными называют радиоволны, распространяющиеся в результате последовательного отражения от ионосферы и земной поверхности. Ионосферу образуют ионизированные под действием ультрафиолетового излучения Солнца верхние слои атмосферы. Концентрация свободных электронов в ионосфере меняется по высоте. В зависимости от концентрации свободных электронов и соответственно положительно заряженных ионов ионосферу условно делят на слои - D, E, F1 и F2. Наименьшая концентрация имеет место в слое D, наибольшая - в слое F2. Состояние ионосферы непрырывно меняется, оно зависит от времени суток, времени года и солнечной активности, которая имеет 11 летний цикл изменения.

Слой D располагается до высоты примерно 60 км. В ночные часы слой D преобладает рекомбинация электронов и ионизация уменьшается или исчезает. Слой Е расположен на высоте 100-120 км и менее зависит от времени суток. Слои F1 и F2 занимают области на высоте примерно 160-400 км, причем ночью слой F1 исчезает.

В ионосфере происходит преломление, отражение и поглощение радиоволн. Преломление радиоволн обусловлено изменениями диэлектрической проницаемости, а, следовательно, показателя преломления по высоте слоев. По мере распространения радиоволн от наземного источника через более высоко расположенные слои показатель преломления уменьшается, траектория электромагнитной волны искривляется и при определенных условиях волна возвращается на Землю. Отражение радиоволн на той или иной высоте ионосферы зависит от частоты радиоволн и угла их падения на слой. При прочих равных условиях чем больше угол падения волны, отсчитываемый от вертикальной линии в точке падения, тем более полога траектория луча в ионосфере и тем меньшая электронная концентрация потребуется для возвращения луча на Землю. Минимальное значение угла падения, при котором еще возможно отражение радиоволн от ионосферы называется критическим.

При угле падения, меньшем критического, радиоволны проходят через ионосферу не отразившись.

Так как коэффициент преломления уменьшается с увеличением частоты, то длинные волны преломляются сильнее, чем короткие, а для УКВ преломление недостаточно для возвращения волн на Землю и они уходят в космическое пространство. Наивысшая частота, при которой электромагнитная волна еще может возвратиться на Землю, называется максимально применимой частотой. Но значение этой частоты неоднозначно вследствие зависимости ее от угла падения. Поэтому вводят понятие критической частоты, которая является максимально применимой частотой при угле падения 90 градусов.

Из определения следует, что эта частота представляет собой низшую из всех максимально применимых частот. За счет многократного переотражения радиоволн от слоев ионосферы и земной поверхности электромагнитная волна может распространяться на большие расстояния вплоть до огибания Земли. Но при переотражениях возникают зоны молчания, куда не попадают отраженные от ионосферы электромагнитные лучи. В зонах приема происходит интерференция волн, прошедших разный путь от излучателя и имеющих, следовательно, различные фазы. Случайный характер изменения фаз приводит к случайному изменению амплитуды результирующей волны, которое называется замиранием или федингом.

Степень поглощения радиоволн в атмосфере увеличивается при повышении плотности ионизации, частоты колебания и пути, проходимой радиоволной в ионосфере. Зимой, когда концентрация электронов в связи с понижением солнечной радиации уменьшается, поглощение радиоволн снижается и дальность распространения увеличивается. В зависимости от частоты колебания радиоволн характеристики среды распространения имеют следующие особенности. 1. Километровые (длинные) волны обладают хорошей дифракцией, сравнительно слабо поглощаются земной поверхностью и могут распространяться поверхностным лучом на расстояние до 3000 км. В ионосфере они затухают сильнее, но могут отражаться от слоя Е и распространяться пространственным лучом на большее расстояние. К преимуществам электромагнитной волны в этом диапазоне как носителя информации относится, кроме большой дальности распространения, сравнительное постоянство напряженности поля в пункте приема в течение суток и года, что обеспечивает устойчивость связи.

Эти волны применяются также для связи под водой, где плохо распространяются волны более высоких частот.

Недостатком длинноволновой радиолинии является плохая излучательная способность антенн, их большие размеры, достигающие несколько сотен метров, высокий уровень атмосферных и промышленных помех и малая пропускная способность. 2. Гектометровые (средние) волны могут распространяться поверхностным и пространственным лучами.

Энергия средних волн поглощаются земной поверхностью сильнее, чем энергия длинноволновых, поэтому дальность связи поверхностным лучем составляет примерно 500 - 1500 км. Однако для средних волн создаются более благоприятные условия распространения пространственным лучом и прием сигналов возможен до 4000 км. Условия распространения средних волн существенно изменяются в зависимости от времени суток.

В ночные часы за счет отражения от ионосферы дальность распространения выше, чем в дневные, когда преобладают поверхностные волны. В этом диапазоне наблюдаются замирания в результате интерференции земных и поверхностных волн или пространственных волн с различными путями распространения, высокий уровень атмосферных и промышленных помех. Антенны в среднем диапазоне по устройству в основном такие же, как и антенны в длинноволновом, но в силу большей близости их геометрических размеров к длинам волн имеют больший коэффициент усиления.

Радиоволны в этом диапазоне используются для радиовещания и связи, на флоте и в авиации. 3. При распространении коротких волн дальность поверхностного луча невелика из-за резкого возрастания поглощения энергии в Земле. Поле в точке приема создается в основном за счет отражения от различных слоев ионосферы. В результате флюктуации плотности и высоты слоев и взаимодействия лучей на коротких волнах, как правило, наблюдаются глубокие замирания и даже полное пропадание связи в течение нескольких десятков секунд.

Для обеспечения круглосуточной связи в условиях суточного изменения ионосферы необходимо производить периодическую смену частот. Определение оптимальных частот производится специальными службами наблюдения за ионосферой по результатам вертикального и вертикально-наклонного зондирования ее радиоимпульсами. Наиболее благоприятные условия прохождения волн днем чаще складываются на волнах в интервале 10-25 м, а ночью - 35-70 м. В диапазоне коротких волн на напряженность поля и характер ее изменения в точке приема влияют другие явления, такие как «вспышки» на Солнце, рассеяние волн на мелких неоднородностях ионосферы, повороте плоскости поляризации.

Достоинством коротких волн является возможность обеспечения связи на очень большие расстояния при сравнительно малых мощности передатчика и габаритах антенны, а также малое влияние атмосферных и промышленных помех.

Они применяются для связи, радионавигации, радиовещании и радиолюбителями. 4. В диапазоне ультракоротких (метровых) и более коротких волн практически отсутствует дифракция. Поэтому они распространяются в пределах прямой видимости, в том числе отражаясь от земли и тропосферы с потерей части энергии на поглощение. Радиоволны в этих диапазонах являются основными носителями информации в сетях телекоммуникаций человечества в силу следующих особенностей: - имеют огромный частотный диапазон (см. табл. 4.3), обеспечивающий возможность передачи огромного объема информации, в том числе путем использования широкополосных каналов; - низкий уровень атмосферных и промышленных помех, позволяющих использовать приемные устройства с высокой чувствительностью, что повышает дальность приема; - слабое влияние станционных помех на работу других радиосистем вследствие ограниченности их радиуса видимости; - возможность создания небольших антенн с узкой диаграммой направленности, позволяющих осуществлять радиосвязь при относительно малой мощности передающих устройств.

Основным недостатком радиоволн рассматриваемого диапазона - малая дальность распространения и существенно большее поглощение их природными осадками (дождем, туманом, снегом, градом), особенно в миллиметровом и более коротких диапазонах.

Результаты сравнительного анализа характеристик радиоволн различных диапазонов приведены в табл. 2. Таблица 2. Для повышения дальности связи применяют следующие методы: - подъем передающей или приемной антенн с помощью инженерных конструкций (матч, башен) и летно-подъемных аппаратов (аэростатов); - ретрансляция радиосигналов с помощью наземных и космических ретрансляторов; - использование тропосферных волн в УКВ диапазоне.

Передающие антенны на башнях устанавливаются для постоянного обеспечения связи, радио и телевизионного вещания в городах, районах и областях. Для периодического и эпизодического приема сигналов от отдаленных источников в качестве носителей приемников сигналов используют привязные аэростаты.

Информация с них на землю передается по кабелю или радиоканалу. Для передачи информации в УКВ и СВЧ диапазонах частот на большие расстояния широко применяются ретрансляторы. С помощью наземных ретрансляторов создаются радиорелейные линии (РРЛ), представляющие собой цепочку приемопередающих станций, каждая из которых устанавливается в пределах прямой видимости соседних. Все станции РРЛ разделяются на оконечные, промежуточные и узловые.

Оконечные радиорелейные станции располагаются в начале и конце линии. На этих станциях вводится и выделяется информация, обеспечивается распределение информации между потребителями. Промежуточные станции предназначены для ретрансляции сигналов. Узловые радиорелейные станции - это промежуточные станции, на которых происходит разветвление принимаемых сигналов по различным направлениям, выделение части принимаемых передаваемой информации (например, программы телевидения) и введение новой информации.

Диапазон частот, предназначенных для передачи информации одного вида, объединяются в радиочастотный ствол: телевизионный, телефонный и т. д. Существующие отечественные РРЛ могут содержать до 8 стволов, а ствол, например, телефонный - до 1920 телефонных каналов. Для каждого ствола с целью исключения взаимного влияния выделяются две рабочие частоты - для передачи и приема. Принятые каждой станцией сигналы на частоте приема усиливаются и преобразуются на частоте передачи и излучаются в направлении следующей станции.

Около 30% телефонных каналов РФ обеспечивает радиорелейная связь. Разновидностью радиорелейных линий связи являются тропосферные линии связи, использующие явление рассеяние ультракоротких радиоволн в неоднородностях тропосферы. К таким неоднородностям относятся области тропосферы с резко изменившимися значениями диэлектрической проницаемости. Неоднородности вызываются неравномерностью состояний различных точек тропосферы, непрерывным перемешиванием и смещением воздушных масс в результате неравномерного разогрева Солнцем различных участков поверхности Земли и слоев тропосферы.

Для устойчивой тропосферной радиосвязи применяют антенны с высоким коэффициентом усиления (40-50 дБ), мощные передатчики (1-10 кВт) и высокочувствительные приемники. Тропосферные линий связи чаще всего имеют протяженность 140-500 км. Ретрансляторы, устанавливаемые на искусственных спутниках Земли (ИСЗ), наиболее широко используются для обмена информацией между абонентами, удаленных друг от друга на тысячи километров.

Они является элементами (звеньями) спутниковых линий связи, которые содержат также оконечные наземные передающие и приемные станции. Естественно, что связь возможно лишь в том случае, если спутники находятся в зоне видимости обеих земных станций. Для ретрансляции применяются в основном ИСЗ на геостационарной (стационарной) и эллиптической орбитах, а также менее дорогие низкоорбитальные КА. При распространении радиоволн в городе характер их распространения существенно искажается по сравнению с распространением на открытых пространствах за счет многочисленных переотражений от стен зданий и помещений и затухания в их них. Эти обстоятельства необходимо учитывать при оценке пространственной ориентации и возможностей каналов утечки информации.

Экранирующие свойства некоторых элементов здания приведены в табл. 3. Таблица 3. Тип здания Ослабление, дБ на частоте 100 МГц 500 МГц 1 ГГц Деревянное здание с толщиной стен 20 см 5-7 7-9 9-11 Кирпичное здание с толщиной стен 1.5 кирпича 13-15 5-17 16-19 Железобетонное здание с ячейкой арматуры 15х15 см и толщиной 160 мм 20-25 18-19 15-17 Указанные в таблице данные получены для стен, 30 процентов площади которых занимают оконные проемы с обычным стеклом.

Если оконные проемы закрыты металлической решеткой с ячейкой 5 см, то экранирование увеличивается на 30-40 %. Дальность распространения электромагнитной волны из здания с толстой кирпичной или железобетонной стенами уменьшается по отношению к зкранированию стен деревянного здания в 2-3 раза в зависимости от частотного диапазона. 5. Классификация помех.

Многообразие природных и искусственных источников излучений в радиодиапазоне порождает проблему электромагнитной совместимости носителя информации с другими излучениями-носителями иной информации, которые представляют собой помехи по отношению к рассматриваемому радиосигналу. Классификация помех представлена на рис. 2. Рис. 2. Классификация помех в каналах утечки.

Природные или естественные помехи вызываются следующими природными явлениями: - электрическими грозовыми разрядами, как правило, на частотах менее 30 Мгц; - перемещением электрически заряженных частиц облаков, дождя, снега и др - возникновением резонансных электрических колебаний между землей и ионосферой; - тепловым излучением Земли и зданий в диапазоне более 30-40 МГц; - солнечной активностью в основном на частотах более 20 МГц; - электромагнитными излучениями неба, Луны, других планет (на частотах более 1 МГц); - тепловыми шумами в элементах радиоприемниках.

В городах к естественным помехам добавляются промышленные помехи, которые по характеру спектра излучений делятся на флюктуационные, гармонические и импульсные. Флюктуационные помехи имеют распределенный по частоте спектр и создаются коронами высоковольтных электропередач, лампами дневного света, неоновой рекламой, электросваркой и другими электрическими процессами.

Спектр промышленных гармонических помех локализован на частотах излучений, возникающих при нелинейных преобразованиях в промышленных установках. Импульсные помехи, возникающие, прежде всего, при замыкании и размыкании электрических контактов выключателей, характеризуются сосредоточением энергии электромагнитных излучений в короткий промежуток времени. Так как электромагнитные волны в радиодиапазоне являются основными носителями информации, то с целью нарушения управления и связи в ходе радиоэлектронной борьбы созданы разнообразные средства генерирования помех.

По эффекту воздействия радиоэлектронные помехи делятся на маскирующие и имитирующие. Маскирующие помехи создают помеховый фон, на котором затрудняется или исключается обнаружение и распознавание полезных сигналов. Имитирующие помехи по структуре близки к полезным сигналам и при приеме могут ввести в заблуждение получателя. По соотношению спектра помех и полезных сигналов помехи подразделяются на заградительные и прицельные.

Заградительные помехи имеют ширину спектра частот, значительно превышающую ширину спектра полезного сигнала, что позволяет подавлять сигнал без точной настройки на его частоту. Прицельная помеха имеет ширину спектра, соизмеримую (равную или превышающую в 1.5-2 раза) с шириной спектра сигнала, и создает высокий уровень спектральной плотности мощности в полосе частот сигнала при невысокой средней мощности передатчика помех. По временной структуре излучения помехи бывают непрерывные и импульсные (в виде немодулирова.