Как се осъществява излъчването, предаването и приемането на радиовълни. Приемане на радиовълни

Излъчването на радиовълни е процесът на възбуждане на пътуващи електромагнитни вълни от радиообхвата в пространството около източника на колебания на ток или заряд. В този случай енергията на източника се преобразува в енергията на електромагнитните вълни, разпространяващи се в пространството. Приемането на радиовълни е обратният процес на излъчването. Състои се от преобразуване на енергията на електромагнитните вълни в енергия на променлив ток. И. и п.р. извършва се с помощта на предавателни и приемащи антени (виж).

Излъчване на радиовълни. Източникът на първични електрически трептения може да бъде променливи токове, протичащи през проводници, променливи полетаи т.н. Въпреки това, променливи токове с относително ниска честота (например индустриална честота 50 Hz) са неподходящи за излъчване: при тези честоти е невъзможно да се създаде ефективен излъчвател. Наистина, ако възникнат електрически трептения, например в индуктивна бобина, чиито размери са малки в сравнение с дължината на вълната λ, съответстваща на честотата на трептене на тока, протичащ в бобината, за всяка секция с една посока на тока, за пример А (ориз. 1 ), има още един раздел IN, отдалечен от Адо разстояние, по-малко от λ/2, при което в същия момент посоката на тока е противоположна. На дълги разстоянияот завоя на вълните, излъчвани от елементите АИ IN, отслабват взаимно. Тъй като намотката се състои от такива двойки антифазни елементи, тя и следователно цялата намотка излъчва лошо. Освен това излъчва лошо, ако съдържа индуктор и кондензатор. Във всеки момент от време зарядите на пластините на кондензатора са еднакви по големина, противоположни по знак и разделени един от друг на разстояние, значително по-малко от λ/2.

От горното следва, че за ефективно излъчване на радиовълни е необходима отворена (отворена) верига, в която или няма участъци с антифазни колебания на ток или заряд, или разстоянието между тях не е малко в сравнение с λ/2 . Ако размерите на веригата са такива, че времето за разпространение на електрическите промени магнитно полев него е сравним с периода на колебания на тока или заряда (скоростта на разпространение на смущенията е крайна), тогава условията на квазистационарност не са изпълнени (виж) и част от енергията на източника се губи под формата на електромагнитни вълни . За практически цели електромагнитните вълни с λ< 10 км.

Излъчватели. Най-простият излъчвателрадиовълните се състоят от два сегмента АИ IN прав проводник, прикрепен към краищата ОО" двупроводна линия, по която се разпространява електромагнитната вълна ( ориз. 2 ). На сегменти АИ INпод въздействието на електрическото поле на вълната се получава движение на заряди, т.е. променлив ток. Във всеки момент от време, такси в точки ОТНОСНОИ ОТНОСНО"равни по големина и противоположни по знак, т.е. сегменти АИ INобразува електрически дипол, който определя конфигурацията на създаденото от него електрическо поле. От друга страна, токове в сегменти АИ INсъвпадат по посока, следователно линиите на магнитното поле, както в случая на праволинеен ток, са кръгове ( ориз. 3 ). Така в пространството около дипола възниква електромагнитно поле, в което полетата дИ нперпендикулярни един на друг. Електромагнитното поле се разпространява в пространството, отдалечавайки се от дипола ( ориз. 4 ).

Вълните, излъчвани от дипола, имат определена поляризация. Вектор на напрегнатост на електрическото поле двълни в точката на наблюдение ОТНОСНО (ориз. 3 ) лежи в равнината, минаваща през дипола и радиус вектора r, изтеглен от центъра на дипола до точката на наблюдение. Вектор на магнитното поле нперпендикулярна на тази равнина.

Променливо електромагнитно поле възниква в цялото пространство около дипола и се разпространява от дипола във всички посоки. Диполът излъчва сферична вълна, която голямо разстояниеот дипола може да се счита за плосък (локално плосък). Но амплитудите на напрегнатостта на електрическото и магнитното поле, създадени от дипола, и следователно излъчената енергия, са различни в различни посоки. Те са максимални в посоки, перпендикулярни на дипола, и постепенно намаляват до нула по оста на дипола. В тази посока диполът практически не излъчва. Разпределението на излъчената мощност в различни посоки се характеризира с диаграма на излъчване. Пространствената диаграма на излъчване на дипола има формата на тороид ( ориз. 5 ).

Пълна мощност, излъчен от дипол, зависи от подаваната мощност и съотношението между дължината му ли дължина на вълната λ. За да може един дипол да излъчва значителна част от подаваната към него мощност, дължината му не трябва да е малка в сравнение с λ/2. С това е свързана и трудността при излъчване на много дълги вълни. Ако лАко е избран правилно и загубите на енергия за нагряване на диполните проводници и линията са малки, тогава преобладаващият дял от мощността на източника се изразходва за излъчване. По този начин диполът е консуматор на източник на енергия, подобен на този, включен в края на линията активно съпротивлениеконсумирайки подадената мощност. В този смисъл диполът има радиационна устойчивост РИ, равно на товаактивно съпротивление, което би консумирало същата мощност.

Диполът, описан по-горе, е най-простата предавателна антена и се нарича симетричен вибратор. За първи път такъв вибратор е използван от G. (1888) в експерименти, които откриват съществуването на радиовълни. Електрическите трептения в дипола на Херц (виж) бяха възбудени с помощта на искров разряд - единственият източник на електрически колебания, известен по това време. Заедно със симетричен вибратор се използва и асиметричен вибратор (за по-дълги вълни) ( ориз. 6 ), възбуден в основата и излъчващ равномерно в хоризонталната равнина.

Наред с телените антени (телови вибратори) има и други видове излъчватели на радиовълни. Магнитните антени са широко използвани. Това е пръчка, изработена от магнитен материал с висока магнитна проницаемост μ , на която е навита намотка от тънка жица. Линиите на магнитното поле на магнитната антена повтарят картината електропроводиелектрическо поле на тел дипол ( ориз. 7 , a, b), което се дължи на принципа на двойствеността.

Ако в стените на a или обемен резонатор (вижте) , където протичат променливи повърхностни токове с ултрависоки честоти, изрежете процеп, така че да пресича посоката на тока, тогава разпределението на токовете е рязко изкривено, екранирането е нарушено и електромагнитната енергия се излъчва навън. Разпределението на полето на слот излъчвател е подобно на разпределението на полето на магнитна антена. Следователно слот излъчвателят се нарича магнитен дипол ( ориз. 7 , c, d ; Вижте също ). Диаграмата на излъчване на магнитните и прорезните излъчватели, както и на електрическия дипол, е тороид.

Повече насочено излъчване се създава от антени, състоящи се от няколко проводникови или слот излъчватели. Това е резултат от интерференцията на радиовълни (виж), излъчвани от отделни излъчватели. Ако токовете, които ги захранват, имат еднаква амплитуда и фаза (равномерно синфазно възбуждане), тогава на достатъчно голямо разстояние в посока, перпендикулярна на излъчващата повърхност, вълните от отделните излъчватели имат еднакви фази и дават максимално излъчване. Полето, създадено в други посоки, е много по-слабо. Леко увеличение на напрегнатостта на полето възниква в тези посоки, където фазовата разлика на вълните, идващи от най-външните излъчватели, е равна на ( н+ 1) π/2, където н-цяло число. В този случай участъкът от диаграмата на излъчване от равнината съдържа редица лобове ( ориз. 8 ), най-голямата от които се нарича основна и съответства на максималното излъчване, останалите се наричат странични.

Съвременната антенна технология използва антенни решетки, съдържащ до 1000 излъчвателя. Повърхността, върху която са разположени, се нарича апертура (отвор) на антената и може да има произволна форма. Чрез задаване на различни разпределения на амплитудите и фазите на токовете върху апертурата може да се получи произволна форма на диаграмата на излъчване. Обикновеното възбуждане на емитери, образуващи плоска решетка, прави възможно получаването на много висока насоченост на излъчване, а промяната на разпределението на тока през апертурата прави възможно промяната на формата на модела на насоченост.

За да се увеличи насочеността на радиацията, която се характеризира с ширината на главния лоб, е необходимо да се увеличи размерът на антената. Връзка между ширината на главния лоб θ , най-голям размеротвори Ли излъчваната дължина на вълната λ се определя по формулите:

за синфазно възбуждане и

ако излъчвателите са разположени по определена ос и фазовото изместване в тях е избрано така, че максималното излъчване да е насочено по тази ос ( ориз. 9 ). СЪС- константи, в зависимост от разпределението на амплитудата на тока върху отвора.

Ако радио вълноводът постепенно се разширява към отворения край под формата на фуния или рог ( ориз. 10 ), тогава вълната във вълновода постепенно се трансформира във вълна, характерна за свободно пространство. Такава рупорна антена произвежда насочено излъчване.

Много висока насоченост на радиацията (до части от градуса при дециметрови и по-къси вълни) се постига с помощта на огледални и лещовидни антени. При тях, благодарение на процесите на отражение и пречупване, сферичният фронт на вълната, излъчвана от електрически или магнитен диполен или рупорен излъчвател, се превръща в плосък. Въпреки това, поради дифракция (Вижте) на вълните, в този случай диаграмата също има основна и странични лобовепосока. Рефлекторната антена (виж) е метално огледало 1 , по-често под формата на част от параболоид на въртене или параболичен цилиндър, в чийто фокус е първичният излъчвател ( ориз. единадесет ). Лещите за радиовълни са триизмерни решетки от метални топки, пръти и др. (изкуствени диелектрици) или набор от правоъгълни вълноводи.

Приемане на радиовълни.Всяка предавателна антена може да служи като приемна антена. Ако електрически дипол е засегнат от вълна, разпространяваща се в пространството, тогава неговото електрическо поле възбужда текущи колебания в дипола, които след това се усилват, преобразуват в честота и влияят на изходните устройства. Може да се покаже, че моделите на излъчване на дипола в режимите на приемане и предаване са еднакви, т.е. че диполът приема по-добре в тези посоки, в които излъчва по-добре. Това е общо свойство на всички антени, произтичащо от принципа на реципрочност: ако поставите две антени - предавателната Аи прием IN- в началото и в края на радиокомуникационната линия, генераторът, захранващ антената А, превключи към приемната антена IN, създава в приемното устройство, превключено към антената А, същия ток като при свързване към антената А, той създава в приемника, включен в антената IN. Принципът на реципрочност ни позволява да определим неговите характеристики като приемна антена от свойствата на предавателната антена.

Енергията, която диполът извлича от електромагнитна вълна, зависи от съотношението между нейната дължина л, дължина на вълната λ и ъгъл ψ между посоката vпристигане на вълна и дипол. Ъгълът φ между посоката на електрическия вълнов вектор и дипола ( ориз. 12 ). Най-добри условия за приемане, при φ = 0. При φ = π/2 електричествов дипола не се възбужда, т.е. няма прием. Ако 0< φ < π/2, то очевидно, что энергия, извлекаемая приёмной антенной из поля Излуче ние и приём радиово лн (Екосφ) 2 . С други думи, тази енергия е свързана с поляризацията на входящата вълна. От горното следва, че в случай на излъчване и приемане на диполи за най-добрите условияЗа приемане е необходимо двата дипола да лежат в една и съща равнина и приемащият дипол да е перпендикулярен на посоката на разпространение на вълната. В този случай приемащият дипол извлича от входящата вълна толкова енергия, колкото тази вълна носи със себе си, преминавайки през напречно сечение с формата на квадрат със страна, равна на

Собственици на патент RU 2598866:

Методът за получаване на радиовълни включва преобразуване електромагнитно излъчванев електрически ток. Освен това, за увеличаване на напрегнатостта на електрическото поле, на мястото на приемане е поставена антена, в която активните елементи са изработени от тънка двустранна метална лента, заточена от двете страни. Техническият резултат е увеличаване на напрегнатостта на електрическото поле. 4 ил.

Изобретението се отнася до областта на радиокомуникациите и телевизионното приемане.

Известен е метод за получаване на радиовълни, при който преобразуването на електромагнитното излъчване на радиочестотния диапазон в електрически ток се извършва с помощта на антена, която е един вибратор (вижте книгата: Милър Г. Антени. Практическо ръководство. - Санкт Петербург: Наука и технологии, 2012, стр. 24-25).

Недостатъкът на този метод за приемане на радиовълни е, че такава антена не концентрира електрическото поле в точката на приемане на сигнала, т.е. не увеличава силата на електрическото поле в непосредствена близост до вибратора. Друг недостатък на този метод за приемане на радиовълни е ниската действителна чувствителност на единичните вибратори. Коефициентът на усилване на такива антени при приемане на сигнал спрямо изотропен излъчвател варира в диапазона от 1-3 dB.

Най-близък по техническа същност до предложеното изобретение е метод за приемане на радиовълни, при който приемното устройство е двуогледална антена (виж книгата: Милър Г. Антени. Практическо ръководство. - Санкт Петербург: Наука и техника, 2012, стр. 272-276). Антената Backfire е предложена през 1960 г. от Ehrenspeck. Има две версии на тази антена. Като прототип най-подходяща е къса двуогледална антена. Антената е с един активен елемент и два плоски рефлектора. Антената осигурява усилване от 13 dB. И двата рефлектора са изработени от фина метална мрежа. Активният елемент (вибратор) е разположен на разстояние 0,25λ от главния и спомагателния рефлектор. Тук λ е дължината на вълната. Когато антената работи, възниква стояща вълна поради отражение от главния и спомагателния рефлектор. Вибраторът е инсталиран в антинода на стояща вълна, където амплитудата на сигнала е два пъти по-висока от тази на входящата електромагнитна вълна. Така прототипът осигурява концентрация електромагнитно полена мястото на антената поради създаването на стояща вълна от рефлектори. Самият активен елемент на двуогледалната антена обаче не увеличава напрегнатостта на електрическото поле в зоната, където се намира вибраторът.

Недостатъкът на прототипа е, че вибраторът на антената не концентрира електрическото поле в приемната точка, т.е. не увеличава силата на електрическото поле в близост до активния елемент.

Целта на предложения метод за приемане на радиовълни е да се увеличи силата на електрическото поле на мястото на приемане, което прави възможно увеличаването на обхвата на надеждно приемане на телевизия и радио.

Техническият резултат от използването на предложения метод за приемане на радиовълни е увеличаване на обхвата на надеждно телевизионно и радио приемане. Това се осигурява от факта, че слабо електрическо поле се усилва чрез концентрирането му върху острия ръб на острието на вибратора до стойност, която осигурява нормална работа на антената. Концентрацията на електрическото поле в мястото на приемане увеличава силата на електрическото поле близо до антената. Приемник, който прилага предложения метод за приемане на радиовълни, е способен уверено да приема сигнал, който няма да бъде получен от други приемници, разположени в същата точка, тъй като за тях сигналът в приемащата точка не се увеличава и следователно ще бъде по-слаб от вътрешният шум на антената и първия етап на усилване дори след усилване ще бъдат затрупани от по-мощен шум. Изобретателският метод за приемане на радиовълни е с повишена реална чувствителност и може да се използва за разпространение на радиовълни на големи разстояния. При разпространението на радиовълни на дълги разстояния много условия започват да влияят на нивото на сигнала: промени във времето, наличие на дъжд или сняг, магнитни бури, слънчеви петна. Изисквания към стаята ТВ антенадори по-строги, отколкото за външна антена. Ако външна антенаможе да бъде с всякакъв размер, тогава вътрешната антена трябва да е компактна. Това не позволява използването на високоефективни видове антени, които имат големи размери. На долните етажи на сградите в многоетажните градски райони сигналът е много слаб, подложен на множество отражения и се променя значително (десетки до стотици пъти) с течение на времето, както и при преместване на хора, животни или пренареждане на мебели в стаята. Силата на електрическото поле в една стая варира дори в рамките на десет сантиметра. Затихването се причинява от стени и прозорци. Сигналът може да се отразява от съседни сгради, автомобили и други движещи се обекти и следователно идва към антената не от телевизионния център, а от друга посока, която непрекъснато се променя. Сигналът ще бъде особено слаб в случай на разпространение на радиовълни на дълги разстояния, тоест извън линията на видимост. Смята се, че разстоянието на линията на видимост не надвишава 25 км. Вътрешна антена, която прилага предложения метод за приемане на радиовълни, е направена да работи на 28 дециметра телевизионен каналза да се осигури телевизионно приемане на цифровия сигнал на първия мултиплекс в голям град. Разстоянието от антената до телевизионния център е повече от 45 км. Това гарантира стабилно, високо качество телевизионно приемане 10 цифрови телевизионни канала и три цифрови радиостанциина втори етаж от девететажна тухлена сграда, заобиколена от същите девет етажни сгради. Антената приема сигнал, отразен от стената на сградата отсреща. Използване на вътрешни антени промишлено производствоприемането на цифровия сигнал на първия мултиплекс не беше успешно. Цифров сигналне беше прието, тъй като всички вътрешни антени са проектирани да работят в зона на надеждно приемане в рамките на пряка видимост на разстояния до 25 km. Приложение вътрешна антеназа приемане цифрова телевизияима добри икономически перспективи, тъй като ви позволява да откажете услугите на колективна антена, сателит или кабелна телевизия. Споменатите източници на сигнали са комерсиални, а услугите им постоянно поскъпват. Следователно, използването на вътрешна антена за приемане на дълги разстоянияцифровата телевизия дава добро икономически ефекти бързо се изплаща. Освен това какво се случва по-нататъчно развитиедигитален телевизионно излъчване, стартира втори мултиплекс, който ще удвои броя на приеманите безплатни канали. Използването на предложения метод за приемане на радиовълни позволява да се увеличи обхватът на надеждно приемане на телевизия и радио не само за новоразработени антени, но и за тези в експлоатация, като се заменят стандартните активни елементи с лентови вибратори. Замяната може да бъде направена за повечето видове антени: всички видове прости и групови излъчватели, антени с вълнови канали, рамка и активни антени. Такава подмяна е рентабилна, тъй като цената на вибратора е много по-малка от цената на цялата антена. По-правилно е да смените само един вибратор в антената, отколкото да замените напълно старата антена с по-ефективна и съответно по-сложна и скъпа нова антена. От тънка, двустранно заострена метална лента, можете да направите всичко. известни видовевибратори и пасивни елементи на приемни антени. Друг резултат от прилагането на предложения метод за приемане на радиовълни е възможността за намаляване на мощността на предавателите при същия обхват на надеждно приемане.

Твърдеше технически резултатМетодът за приемане на радиовълни чрез преобразуване на електромагнитното излъчване в електрически ток се постига чрез поставяне на антена на мястото на приемане за увеличаване на напрегнатостта на електрическото поле, в която активните елементи са направени от тънка двустранна метална лента, заточена от двете страни. ръбове.

Предложеният метод за приемане на радиовълни е илюстриран на чертежите:

фиг. 1 - концентрация на електрическото поле в областта на острия ръб на острието;

фиг. 2 - диаграма на ремъчен вибратор върху телена рамка;

фиг. 3 - схематичен чертеж на антената;

фиг. 4 - диаграма на лентов вибратор в експериментална антена.

Физическият принцип на действие на метода за получаване на радиовълни

За да се увеличи напрегнатостта на електрическото поле, на мястото на приемане се поставя антена, в която активният елемент е направен от много тънка (не повече от 0,05 mm), двустранна метална лента, заточена от двата края. Лентата трябва да бъде заточена от двете страни, като остротата на острието след заточване не трябва да надвишава 1-2 микрона. Острият ръб на лентовия вибратор е монтиран перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната. При острия ръб на лентовия вибратор се получава рязко увеличение на напрегнатостта на електрическото поле, както е показано на фиг. 1. Високата стойност на напрегнатостта на електрическото поле в мястото на вибратора води до повишаване на напрежението на изхода на вибратора. Напрежението на изхода на антена с вибратор, изработен от двустранна тънка метална лента, е значително по-високо от напрежението на изхода на подобен вибратор, изработен от тел, тръби или други материали. Напрежението на изхода на вибратор, направен от двустранна, много тънка метална лента, заточена от двата ръба, се увеличава поради добре известен физически ефект: рязко увеличаване на силата на електрическото поле в близост до много остри издатини (вижте книгата: Frish S.E., Timoreva A.V. Курс Обща физика: Учебник В 3 тома Т. 2. Електрически и електромагнитни явления 11 изд., ст. - Санкт Петербург: Издателство Лан, 2007 г., стр. 54). Острието концентрира електрическото поле върху остри ръбове, увеличавайки полето близо до антената и напрежението на изхода на антената. Този ефект се използва широко, например, при проектирането на системи за защита на промишлени съоръжения от удари на мълнии, когато високи мачти с остри щифтове в края, поставени в непосредствена близост до защитените обекти, огъват електрическото поле, увеличавайки електрическото поле сила в района на тяхното местоположение. В този случай напрегнатостта на електрическото поле над защитените обекти се намалява до безопасна стойност. През Средновековието ефектът от рязко увеличаване на напрегнатостта на електрическото поле в близост до предмети с остри ръбове често се наблюдава на върховете на корабните мачти под формата на сияние, което се нарича светлините на Свети Елмо (вижте книга: Фриш С. Е., Тиморева А. В. Курс по обща физика : Учебник В 3 тома Т. 2. Електрически и електромагнитни явления 11 изд., ст. - Санкт Петербург: Издателство Лан, 2007 г., стр. 54). В момента, за да се намали искренето на остри ръбове, те също се опитват да направят елементи от мощни радиопредавателни антенни устройства без остри издатини. Всички тези примери и аргументи обаче се отнасят до статичното електрическо поле. Ще има ли такъв ефект за електромагнитното поле? Отговорът дава системата от уравнения на Максуел, която описва цялото разнообразие от взаимодействия на електромагнитното поле с материята и условията за разпространение на електромагнитното поле в материята. Връзката между електрическия компонент на електромагнитното поле и обемната плътност на заряда в средата за разпространение се описва от едно от уравненията на Максуел, което се нарича уравнение на дивергенцията:

Често уравнение (1) се записва, както следва:

От уравнение (2) следва, че сумата от частните производни на електрическото поле по координатните оси е равна на 4πρ. Когато няма външни или индуцирани заряди, тогава ρ=0. Индуцираните заряди възникват поради влиянието на електромагнитното поле върху вибратора на антената. Високочестотен променлив ток протича през антената. Поради скин-ефекта, токове, причинени от въздействието на електромагнитно поле върху метален вибратор, протичат по повърхността на проводника. Токът, протичащ през вибратора, се причинява от движението на зарядите. Тези заряди се наричат индуцирани заряди. Разпределението на зарядите по повърхността на антената е неравномерно и се определя преди всичко от размера на вибратора. В допълнение, плътността на индуцираните заряди зависи от дебелината на лентата на вибратора. Колкото по-тънка е лентата, толкова по-голяма е плътността на индуцираните заряди. Зарядът, дължащ се на влиянието на електромагнитното поле, ще бъде разпределен в по-малък обем, което увеличава обемната плътност на заряда ρ. Особено значително увеличение на обемната плътност на индуцирания заряд ще се наблюдава при острия ръб на тънка лента. Уравнение (2) показва, че електрическото поле зависи от наличието на индуцирани или въведени външни заряди. Когато се появи обемна плътност на заряда (ρ>0), производните на посоката на електрическото поле ще се променят. Частичната производна на напрегнатостта на електрическото поле по отношение на посоката показва как електрическото поле се променя в тази посока. Ако частната производна по отношение на тази посокае положително, тогава силата на електрическото поле в тази посока се увеличава, а ако е отрицателно, тогава електрическото поле в тази посока намалява. Ако дясна частуравнение (2) нараства и става по-голямо от нула, тогава една или повече частни производни на напрегнатостта на електрическото поле също трябва да се увеличават. С други думи, с увеличаване на плътността на пространствения заряд, силата на електрическото поле в някои посоки също ще се увеличи. Невъзмутимото електрическо поле далеч от пространствения заряд ще има по-нисък интензитет, отколкото в близост до пространствения заряд. Решението на уравнение (1) е възможно за конкретни случаичрез уравнението на Поасон. Въпреки това, дори качественото изследване на уравнение (2) потвърждава наличието на ефект от увеличаване на напрегнатостта на електрическото поле в острия ръб на лентовия вибратор. Плътността на пространствения заряд на острия ръб на проводника рязко нараства. Обемната плътност на заряда ще се увеличи към острия ръб. Следователно, в посока на най-големия градиент на обемната плътност на заряда, ще се наблюдава най-рязкото увеличение на напрегнатостта на електрическото поле. Най-висока стойностнапрегнатостта на електрическото поле ще се появи в непосредствена близост до острия ръб. Лентов вибратор, който прилага изобретения метод за приемане на радиовълни, е показан на фиг. 2. За да се увеличи механичната якост, лентата може да бъде заварена точково заваряванекъм телена или тръбна рамка. Нека разгледаме по-подробно до какво води явлението концентрация на електрическо поле върху острия ръб на лентов вибратор. В теорията на телевизионното и радиоприемане съществува понятието реална чувствителност на приемника. Той характеризира способността на получателя да получава слаби сигналив условия на шум и външни смущения. Реалната чувствителност на приемника е равна на ЕДС на сигнала в антената, при което напрежението на сигнала на изхода на приемника надвишава напрежението на смущение толкова много, че се осигурява висококачествено възпроизвеждане на сигнала. Външните смущения и вътрешният шум пречат на приемания сигнал и намаляват действителната чувствителност на приемника. Следователно чувствителността обикновено се характеризира с най-ниското ниво на входния сигнал, което осигурява дадено съотношение сигнал/шум на изхода на усилвателя. В радиоразпръскването е прието нивото на входния сигнал да превишава нивото на шума с 20 dB (10 пъти), а в УКВ диапазона с 26 dB (20 пъти). Реалната чувствителност на радиоприемниците от най-висок клас в DV, SV и HF обхватите е 50 µV, а за по-ниските класове 200-300 µV. Ако приемането се извършва с помощта на вътрешна магнитна антена, тогава чувствителността на приемника трябва да бъде в рамките на 1-3 mV/m. Чувствителността на радиоразпръскващите приемници от среден клас в УКВ диапазона е 10-30 µV, а за емисионните приемници от висок клас е 5 µV. Съвременните телевизионни приемници имат реална чувствителност от около 40 µV. Съвременни приемници мобилни комуникацииимат чувствителност на ниво десети от микроволта. Допълнителната смес от "сигнал плюс шум" от изхода на антената отива към първия етап на усилване телевизионен приемник. Поради нелинейността на усилвателя, резултатът от усилването ще бъде различен в зависимост от съотношението между сигнала и шума. Два случая са важни: S/N>1 и S/N<1. В СВЧ-диапазоне в качестве помехи выступают собственные шумы антенны и первого каскада усиления. Если эффективное значение входного сигнала больше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то после усилителя отношение сигнал/шум еще более возрастет. Сильный сигнал усиливается в большей степени, чем слабая помеха. Поэтому сильный сигнал подавляет слабую помеху. Качество изображения и звукового сопровождения не будет ухудшаться из-за шумов и помех. Если уровень сигнала настолько мал, что его эффективное значение меньше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то на выходе усилителя слабый сигнал будет еще более подавлен мощным шумом. Усилитель усиливает и сигнал, и шум. Но мощный шум из-за нелинейности усилителя возрастет в значительно большей степени, чем слабый входной сигнал и отношение сигнал/шум на выходе усилителя еще более упадет. В результате сигнал будет настолько искажен шумами, что телевизионный приемник не сможет воспроизвести изображение и звук телеканала, хотя уровень сигнала на выходе усилителя будет находиться в требуемых пределах. Неважно, каким коэффициентом усиления обладает антенна, но если эффективное значение входного сигнала будет меньше уровня собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то сигнал будет настолько искажен усилителем, что приемник не сможет его воспроизвести. Повышать отношение сигнал/шум можно двумя способами. Чаше всего стараются уменьшить собственные шумы антенны и первого каскада. В первых каскадах усиления применяют высокочастотные малошумящие диоды, транзисторы и микросхемы. Для уменьшения тепловых шумов первого каскада усиления в системах космической и тропосферной связи усилитель охлаждают почти до абсолютного нуля в криостате с жидким гелием. Очевидно, что такой метод уменьшения собственных шумов можно применять не везде и не всегда. Второй способ увеличения отношения сигнал/шум на входе системы заключается в увеличении уровня входного сигнала в точке приема. Например, в прототипе для увеличения напряженности электрического поля в точке приема используют явление интерференции между прямой и отраженной (от экрана) электромагнитной волной. При интерференции прямой и отраженной волн образуется стоячая волна, амплитуда которой зависит не только от времени, но и от координаты точки наблюдения. Так в узлах уровень сигнала равен нулю, а в пучностях напряженность электрического поля в два раза превышает напряженность электрического поля в прямой и обратной волне. Если вибратор поместить в пучность стоячей волны, то напряжение на выходе антенны удвоится. Однако для увеличения напряженности электрического поля в точке приема можно использовать и другие физические законы. Так в заявляемом способе приема радиоволн задачу увеличения уровня сигнала на входе антенны решают за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке антенного вибратора. При этом собственные шумы антенны и первого каскада усиления не возрастают, следовательно, отношение сигнал/помеха увеличивается. Это означает, что заявляемый способ приема радиоволн способен работать с более низкой напряженностью электрического поля, при которой другие антенны даже с более высоким коэффициентом усиления не будут нормально функционировать, поскольку в них собственные шумы и внешние помехи будет подавлять слабый полезный сигнал и принимаемая информация будет искажена. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет также уменьшить мощность передающего устройства при заданной дальности связи. Замена вибраторов в существующих и уже установленных антеннах позволит резко улучшить качество приема и повысить дальность уверенного приема сигнала. Во многих случаях вместо внешних антенн можно применять малогабаритные комнатные антенны с ленточными вибраторами. Это особенно важно при переходе на цифровой формат вещания.

Устройство, което реализира предложения метод за приемане на радиовълни, е показано на фиг. 3. Антената е вибратор, разположен зад плосък рефлектор. Рефлекторът съдържа три панела от фолио от фибростъкло. Основният рефлекторен панел е монтиран успоредно на равнината на вибратора, а другите два са разположени над и отдолу спрямо главния рефлекторен панел под ъгъл към него. Рефлекторът и вибраторът са разположени на шасито. Активният елемент на антената е тел полувълнов контурен вибратор, върху който са поставени пластини с много остри ръбове. Като такива плочи се използват безопасни ножчета с две остриета. Остриетата са монтирани върху телена рамка по цялата дължина на вибратора. Равнината на острието е перпендикулярна на равнината на вибратора (фиг. 4). Полувълнов вибратор има съпротивление от 300 ома при резонансната честота, така че полувълнов U-образен вибратор е използван, за да го съгласува с коаксиален кабел със съпротивление от 75 ома. Този тип съвпадение е добър, защото също балансира антената. За да се увеличи входният сигнал, вибраторът се монтира в антинода на стояща електромагнитна вълна на разстояние от рефлектора. Тук λ е дължината на вълната, на която е настроен вибраторът. В антинода на стояща вълна амплитудата на сигнала се удвоява. Два физически феномена се използват за увеличаване на входния сигнал. Първо, използва се феноменът на увеличаване на електромагнитното поле на острия ръб на тънък лентов вибратор, заострен от двете страни. Второто физическо явление, което повишава нивото на сигнала в антената, е използването на стоящи вълни (виж книгата О. С. Литвинов, Б. С. Горелик. Електромагнитни вълни и оптика. Учебник. - М.: Издателство на Московския държавен технически университет на име Н. Е. Бауман , 2006, стр. 155-156). Обратната електромагнитна вълна, връщаща се от рефлектора, пречи на директната вълна. В резултат на интерференция се образува стояща вълна, при която амплитудата на сигнала се променя в зависимост от координатите на точката на измерване. По-специално, в антинодите на стояща вълна амплитудата на сигнала се удвоява. Ако активният елемент на антената, например полувълнов кръгов вибратор, се постави в антинода на стояща вълна, тогава силата на електромагнитното поле в тази точка ще бъде 2 пъти по-висока от стойността на амплитудата на полето в пряка вълна (виж книгата: Landsberg G.S. Optics. M.: Fizmatlit , 2003), което удвоява сигнала на изхода на антената. Горният и долният рефлектор също причиняват феномена на директна и отразена вълнова интерференция, което допълнително увеличава напрежението на сигнала в антената. При стояща вълна преките и отразените вълни трябва да имат еднакви стойности на амплитуда. За да направите това, коефициентът на отражение на екрана трябва да бъде равен на единица. Стъклопластът от медно фолио, използван за рефлектора в антената, реализираща метода за приемане на радиовълни съгласно изобретението, има коефициент на отражение 0,65. За да се увеличи коефициентът на отражение, повърхността на фолирания ламинат от фибростъкло беше посребрена. Коефициентът на отражение на среброто е 0,95, което увеличава сигнала на изхода на антената с 3 dB. Сребърното покритие се използва много често при производството на микровълнови вълноводи и микровълнови резонатори, тъй като намалява загубите във вълноводния път и повишава качествения фактор на резонаторите. В резултат на предприетите мерки се получава: увеличаване на амплитудата на сигнала в антената поради поставянето на вибратора в антинода на стоящата вълна; увеличаване на напрежението на полезния сигнал в антената поради концентрацията на силата на електрическото поле върху острия ръб на острието на кръговия полувълнов вибратор; повишаване на напрежението поради резонансни явления във вибратора, настроен на честота 530 MHz; увеличаване на амплитудата на стояща вълна поради посребряване на рефлектора. Резултатите от експеримента показаха, че сигналът на изхода на антена с лентов вибратор, който прилага предложения метод за приемане на радиовълни, е три пъти (10 dB) по-голям от сигнала на изхода на полувълнов проводник вибратор, също настроен на честота 530 MHz. Измерванията са извършени с помощта на високочестотен микровълнов миливолтметър V3-36 и микровълнов генератор G4-129. Полученият резултат ни позволява да заявим несъмненото предимство на антена с вибратор, изработен от двустранна тънка метална лента. Такава антена има три пъти по-висока реална чувствителност.

Излъчване и приемане на радиовълни

Излъчване на радиовълни. Източникът на първични електрически трептения може да бъде променливи токове, протичащи през проводници, променливи полета и т.н. Въпреки това, променливи токове с относително ниска честота (например индустриална честота 50 Hz) са неподходящи за излъчване: при тези честоти е невъзможно да се създаде ефективен излъчвател. Наистина, ако възникнат електрически трептения, например в индуктивна бобина, чиито размери са малки в сравнение с дължината на вълната λ, съответстваща на честотата на трептене на тока, протичащ в бобината, за всяка секция с една посока на тока, за пример А (ориз. 1 ), има още един раздел IN, отдалечен от Адо разстояние, по-малко от λ/2, при което в същия момент посоката на тока е противоположна. На големи разстояния от намотката, вълни, излъчвани от елементи АИ IN, отслабват взаимно. Тъй като намотката се състои от такива двойки антифазни елементи, тя и следователно цялата намотка излъчва лошо. Осцилаторна верига, съдържаща индуктор и кондензатор, също излъчва лошо. Във всеки момент от време зарядите на пластините на кондензатора са еднакви по големина, противоположни по знак и разделени един от друг на разстояние, значително по-малко от λ/2.

От горното следва, че за ефективно излъчване на радиовълни е необходима отворена (отворена) верига, в която или няма участъци с антифазни колебания на ток или заряд, или разстоянието между тях не е малко в сравнение с λ/2 . Ако размерите на веригата са такива, че времето на разпространение на промените в електромагнитното поле в нея е сравнимо с периода на колебания на тока или заряда (скоростта на разпространение на смущенията е крайна), тогава условията на квази- стационарно състояние не са удовлетворени (вижте Квазистационарен процес) и част от енергията на източника се губи под формата на електромагнитни вълни. За практически цели обикновено се използват електромагнитни вълни с λ km.

Излъчватели. Най-простият излъчвател на радиовълни се състои от два сегмента АИ INправ проводник, свързан към краищата ОО"двупроводна линия, по която се разпространява електромагнитна вълна ( ориз. 2 ). На сегменти АИ INПод въздействието на електрическото поле на вълната възниква движение на заряди, т.е. променлив ток. Във всеки момент от време, такси в точки ОТНОСНОИ ОТНОСНО"равни по големина и противоположни по знак, т.е. сегменти АИ INобразува електрически дипол, който определя конфигурацията на създаденото от него електрическо поле. От друга страна, токове в сегменти АИ INсъвпадат по посока, следователно линиите на магнитното поле, както в случая на праволинеен ток, са кръгове ( ориз. 3 ). Така в пространството около дипола възниква електромагнитно поле, в което полетата дИ нперпендикулярни един на друг. Електромагнитното поле се разпространява в пространството, отдалечавайки се от дипола ( ориз. 4 ).

Променливо електромагнитно поле възниква в цялото пространство около дипола и се разпространява от дипола във всички посоки. Диполът излъчва сферична вълна, която на голямо разстояние от дипола може да се счита за плоска (локално плоска). Но амплитудите на напрегнатостта на електрическото и магнитното поле, създадени от дипола, и следователно излъчената енергия, са различни в различни посоки. Те са максимални в посоки, перпендикулярни на дипола, и постепенно намаляват до нула по оста на дипола. В тази посока диполът практически не излъчва. Разпределението на излъчената мощност в различни посоки се характеризира с диаграма на излъчване. Пространствената диаграма на излъчване на дипола има формата на тороид ( ориз. 5 ).

Общата мощност, излъчвана от дипол, зависи от вложената мощност и съотношението между неговата дължина ли дължина на вълната λ. За да може един дипол да излъчва значителна част от подаваната към него мощност, дължината му не трябва да е малка в сравнение с λ/2. С това е свързана и трудността при излъчване на много дълги вълни. Ако лАко е избран правилно и загубите на енергия за нагряване на диполните проводници и линията са малки, тогава преобладаващият дял от мощността на източника се изразходва за излъчване. По този начин диполът е консуматор на източник на енергия, подобно на активно съпротивление, свързано към края на линията, което консумира подадената мощност. В този смисъл диполът има радиационна устойчивост Ри равно на активното съпротивление, в което би се изразходвала същата мощност.

Диполът, описан по-горе, е най-простата предавателна антена и се нарича симетричен вибратор. Такъв вибратор е използван за първи път от Г. Херц (1888) в експерименти, които откриват съществуването на радиовълни. Електрическите трептения в Hertz дипол (виж Hertz вибратор) се възбуждат с помощта на искров разряд - единственият източник на електрически колебания, известен по това време. Заедно със симетричен вибратор се използва и асиметричен вибратор (за по-дълги вълни) ( ориз. 6 ), възбуден в основата и излъчващ равномерно в хоризонталната равнина.

Наред с телените антени (телови вибратори) има и други видове излъчватели на радиовълни. Магнитните антени са широко използвани. Това е пръчка, изработена от магнитен материал с висока магнитна проницаемост μ , на която е навита намотка от тънка жица. Линиите на магнитното поле на магнитната антена повтарят модела на линиите на електрическото поле на проводен дипол ( ориз. 7 , a, b), което се дължи на принципа на двойствеността.

Ако има радио вълновод или кухинен резонатор в стените (вижте Обемен резонатор) , където протичат променливи повърхностни токове с ултрависоки честоти, изрежете процеп, така че да пресича посоката на тока, тогава разпределението на токовете е рязко изкривено, екранирането е нарушено и електромагнитната енергия се излъчва навън. Разпределението на полето на слот излъчвател е подобно на разпределението на полето на магнитна антена. Следователно слот излъчвателят се нарича магнитен дипол ( ориз. 7 , c, d ; вижте също Слот антена). Диаграмата на излъчване на магнитните и прорезните излъчватели, както и на електрическия дипол, е тороид.

Повече насочено излъчване се създава от антени, състоящи се от няколко проводникови или слот излъчватели. Това е резултат от интерференцията на радиовълни (виж Радиовълнова интерференция), излъчвани от отделни излъчватели. Ако токовете, които ги захранват, имат еднаква амплитуда и фаза (равномерно синфазно възбуждане), тогава на достатъчно голямо разстояние в посока, перпендикулярна на излъчващата повърхност, вълните от отделните излъчватели имат еднакви фази и дават максимално излъчване. Полето, създадено в други посоки, е много по-слабо. Леко увеличение на напрегнатостта на полето възниква в тези посоки, където фазовата разлика на вълните, идващи от най-външните излъчватели, е равна на ( н+ 1) π/2, където н-цяло число. В този случай участъкът от диаграмата на излъчване от равнината съдържа редица лобове ( ориз. 8 ), най-голямата от които се нарича основна и съответства на максималното излъчване, останалите се наричат странични.

Съвременната антенна технология използва антенни решетки, съдържащи до 1000 излъчвателя. Повърхността, върху която са разположени, се нарича апертура (отвор) на антената и може да има произволна форма. Чрез задаване на различни разпределения на амплитудите и фазите на токовете върху апертурата може да се получи произволна форма на диаграмата на излъчване. Обикновеното възбуждане на емитери, образуващи плоска решетка, прави възможно получаването на много висока насоченост на излъчване, а промяната на разпределението на тока през апертурата прави възможно промяната на формата на модела на насоченост.

За да се увеличи насочеността на радиацията, която се характеризира с ширината на главния лоб, е необходимо да се увеличи размерът на антената. Връзка между ширината на главния лоб θ , най-големият размер на блендата Ли излъчваната дължина на вълната λ се определя по формулите:

Ако радио вълноводът постепенно се разширява към отворения край под формата на фуния или рог ( ориз. 10 ), тогава вълната във вълновода постепенно се трансформира във вълна, характерна за свободното пространство. Такава рупорна антена произвежда насочено излъчване.

Много висока насоченост на радиацията (до части от градуса при дециметрови и по-къси вълни) се постига с помощта на огледални и лещовидни антени. При тях, благодарение на процесите на отражение и пречупване, сферичният фронт на вълната, излъчвана от електрически или магнитен диполен или рупорен излъчвател, се превръща в плосък. Въпреки това, поради дифракция (вижте Дифракция) на вълните, в този случай моделът също има главен и страничен дял. Рефлекторната антена (вижте Рефлекторни антени) е метално огледало 1 , по-често под формата на част от параболоид на въртене или параболичен цилиндър, в чийто фокус е първичният излъчвател ( ориз. единадесет ). Лещите за радиовълни са триизмерни решетки от метални топки, пръти и др. (изкуствени диелектрици) или набор от правоъгълни вълноводи.

Енергията, която диполът извлича от електромагнитна вълна, зависи от съотношението между нейната дължина л, дължина на вълната λ и ъгъл ψ между посоката vпристигане на вълна и дипол. Ъгълът φ между посоката на електрическия вълнов вектор и дипола ( ориз. 12 ). Най-добрите условия за приемане са при φ = 0. При φ = π/2 електрическият ток в дипола не се възбужда, т.е. няма приемане. Ако 0 Ecos φ) 2 . С други думи, тази енергия е свързана с поляризацията на входящата вълна. От горното следва, че в случай на излъчващ и приемащ диполи, за най-добри условия на приемане е необходимо и двата дипола да лежат в една и съща равнина и приемащият дипол да е перпендикулярен на посоката на разпространение на вълната. В този случай приемащият дипол извлича от входящата вълна толкова енергия, колкото тази вълна носи със себе си, преминавайки през напречно сечение с формата на квадрат със страна, равна на

Шум от антената.Приемната антена винаги е в условия, при които освен полезния сигнал е засегната и от шум. Въздухът и повърхността на Земята в близост до антената, поглъщайки енергия, в съответствие със закона за излъчване на Rayleigh-Jeans (вижте закона за излъчване на Rayleigh-Jeans) създават електромагнитно излъчване. Шум възниква и поради загуби на джаул в проводниците и диелектриците на захранващите устройства.

Всички шумове от външен произход се описват от така наречената шумова или антена температура TА. Мощност Р w външен шум на входа на антената в честотната лента Δν на приемника е равен на:

Р w =k ТА Δν

(к- константа на Болцман). При честоти под 30 MHzАтмосферният шум играе преобладаваща роля. В областта на сантиметровите вълни решаващ принос има радиацията от земната повърхност, която навлиза в антената обикновено поради страничните лъчи на нейната диаграма на излъчване. Следователно, за слабо насочени антени, температурата на антената, дължаща се на Земята, е висока; може да достигне 140-250 K; за силно насочени антени обикновено е 50-80 K, а със специални мерки може да се намали до 15-20 K.

Лит.: Khaikin S.E., Електромагнитни вълни, 2-ро изд., М. - Л., 1964; Голдщайн Л. Д., Зернов Н. В. Електромагнитни полета и вълни, М., 1956; Rameau S., Winnery J., Полета и вълни в съвременната радиотехника, прев. от английски, 2 изд., М. - Л., 1950.

Под редакцията на Л. Д. Бахраж.

Ориз. 4. Моментни снимки на силовите линии на електрическото поле в близост до дипол за интервали от време, отдалечени един от друг с 1/8 от периода T на текущите трептения.

Велика съветска енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия. 1969-1978 .

Вижте какво е „излъчване и приемане на радиовълни“ в други речници:

Електромагнитно, процесът на образуване на свободно електромагнитно поле. (Терминът „I.“ се използва и за обозначаване на най-свободното, т.е. излъчено електромагнитно поле, вижте уравненията на Максуел, Електромагнитни вълни.) ... ...

Електромагнитна, класическа обучение по електродинамика ел. маг. вълни от ускорено движещ се заряд. h tsami (или променливи токове); в квантово теория за раждането на фотони при промяна на състоянието на кванта. системи; терминът "аз". използва се и за... Физическа енциклопедия

РАДИАЦИЯ- ИЗЛЪЧВАНЕ, или радиация, в общия смисъл, процесът на пренасяне на енергия от тялото в околното пространство. Обикновено терминът радиация се прилага за елементарни атомни или молекулярни процеси, като се прави разлика между два вида радиация: корпускулярна и светлинна. Прехвърляне... Голяма медицинска енциклопедия

РАДИАЦИЯ- разпространение в пространството (виж) от всякакво естество или потоци от всякакви частици, както и процесът на вълни или поток от частици от всякакво физическо естество. система; (1) I. електромагнитни: а) видими оптични I., директно възприемани от окото... ... Голяма политехническа енциклопедия

Устройства за преобразуване на сигнали от електромагнитно излъчване (виж Радиация) (в диапазона от рентгенови лъчи с дължина на вълната λ = 10 9 cm до радиовълни с λ = 10 1 cm, за приемници на електромагнитно излъчване с по-къса дължина на вълната ... . .. Велика съветска енциклопедия

Радиовълните и тяхното разпространение са безспорна мистерия за начинаещите оператори. Тук можете да се запознаете с основите на теорията за разпространение на радиовълните. Тази статия е предназначена да запознае начинаещите с етера, както и за тези, които имат някаква представа за него.

Най-важното въведение, което често се забравя да се спомене, преди да се въведе теорията за разпространението на радиовълните, е, че радиовълните се разпространяват около нашата планета поради отражение от йоносферата и от земята, както лъч светлина се отразява от полупрозрачни огледала.

Характеристики на разпространение на средни вълни и кръстосана модулация

Средните вълни включват радиовълни с дължина от 1000 до 100 m (честоти 0,3 - 3,0 MHz). Средните вълни се използват предимно за радиоразпръскване. Те са и люлката на родното радио пиратство. Те могат да се разпространяват по земен и йоносферен път. Средните вълни изпитват значително поглъщане в полупроводниковата повърхност на Земята; обхватът на разпространение на земната вълна 1 (виж фиг. 1) е ограничен до разстояние от 500-700 km. На големи разстояния радиовълни 2 и 3 се разпространяват от йоносферна (пространствена) вълна.

През нощта средните вълни се разпространяват чрез отражение от Е слоя на йоносферата (виж фиг. 2), чиято електронна плътност е достатъчна за това. През деня по пътя на разпространение на вълната се намира слой D, който изключително силно поглъща средните вълни. Следователно, при нормални мощности на предавателя, силата на електрическото поле е недостатъчна за приемане и през деня разпространението на средните вълни се извършва почти изключително от земната вълна на сравнително къси разстояния, около 1000 km. В диапазона на средните вълни, по-дългите вълни изпитват по-малко поглъщане, а силата на електрическото поле на йоносферната вълна е по-голяма при по-дълги дължини на вълните. Усвояването се увеличава през летните месеци и намалява през зимата. Йоносферните смущения не влияят на разпространението на средни вълни, тъй като Е слоят е леко нарушен по време на йоносферни магнитни бури.

През нощта вижте фиг. 1, на определено разстояние от предавателя (точка B) е възможно пристигането на пространствени вълни 3 и повърхностни вълни 1 едновременно, а дължината на пътя на пространствената вълна се променя с промените в електронната плътност на йоносферата. Промяната на фазовата разлика на тези вълни води до колебания в напрегнатостта на електрическото поле, наречено затихване в близкото поле.

Вълни 2 и 3 могат да достигнат на значително разстояние от предавателя (точка C) чрез едно или две отражения от йоносферата. Промяната на фазовата разлика на тези две вълни също води до колебание в напрегнатостта на електрическото поле, наречено затихване на дълго поле.

За борба със затихването в предавателния край на комуникационната линия се използват антени, при които максималната диаграма на излъчване е „притисната“ към земната повърхност; те включват най-простата антена „Inverted-V“, доста често използвана от радиолюбители. При такъв модел на излъчване зоната на почти затихване се отдалечава от предавателя и на големи разстояния полето на вълната, пристигаща чрез две отражения, се оказва отслабено.

За съжаление, не всички начинаещи радиопредаватели, работещи в честотния диапазон 1600-3000 kHz, знаят, че слабият сигнал от предавател с ниска мощност е податлив на йоносферно изкривяване. Сигналът от по-мощните радиопредаватели е по-малко податлив на йоносферно изкривяване. Поради нелинейната йонизация на йоносферата, слабият сигнал се модулира от модулиращото напрежение на сигнали от мощни станции. Това явление се нарича кръстосана модулация. Дълбочината на коефициента на модулация достига 5-8%. От приемащата страна се създава впечатлението за зле направен предавател, с всякакви бръмчене и хрипове, това е особено забележимо в режим на AM модулация.

Поради кръстосаната модулация в приемника често проникват интензивни смущения от мълния, които не могат да бъдат филтрирани - разрядът от мълния модулира получения сигнал. Поради тази причина радиоразпространителите започнаха да използват едностранични предаватели за двупосочна радиокомуникация и започнаха да работят по-често на по-високи честоти. Чуждестранните радиопредаватели на CB станции увеличават мощността си и компресират модулиращите сигнали, а за неизкривена работа в ефира използват обърнати честоти.

Явленията демодулация и кръстосана модулация в йоносферата се наблюдават само в диапазона на средните вълни (MV). В обхвата на късите дължини на вълните (SW) скоростта на електрона под въздействието на електрическо поле е незначителна в сравнение с топлинната му скорост и наличието на поле не променя броя на сблъсъци на електрона с тежки частици.

Най-благоприятните условия в честотния диапазон от 1500 до 3000 kHz за комуникация на дълги разстояния са зимните нощи и периодите на минимална слънчева активност. Комуникациите на особено дълги разстояния, повече от 10 000 км, обикновено са възможни по време на залез и изгрев. През светлата част на деня комуникацията е възможна на разстояние до 300 км. Безплатните FM радиостанции могат само да завиждат на такива големи радиотрасета.

През лятото този диапазон често се влияе от смущения от статични разряди в атмосферата.

Характеристики на разпространението на къси вълни и техните характеристики

Късите вълни включват радиовълни с дължина от 100 до 10 m (честоти 3-30 MHz). Предимството на работата на къси дължини на вълните пред работата на по-дълги дължини на вълните е, че насочените антени могат лесно да бъдат конструирани в този диапазон. Късите вълни могат да се разпространяват като земни вълни, в нискочестотната част на диапазона и като йоносферни.

С увеличаването на честотата поглъщането на вълните в полупроводниковата повърхност на Земята се увеличава значително. Следователно, при нормални мощности на предавателя, късовълновите земни вълни се разпространяват на разстояния, които не надвишават няколко десетки километра. На повърхността на морето това разстояние се увеличава значително.

С йоносферна вълна късите вълни могат да се разпространяват на много хиляди километри и това не изисква предаватели с висока мощност. Следователно в момента късите вълни се използват главно за комуникация и излъчване на дълги разстояния.

Късите вълни се разпространяват на големи разстояния чрез отражение от йоносферата и земната повърхност. Този метод на разпространение се нарича скачане, вижте фиг. 2 и се характеризира с разстоянието на скок, брой скокове, ъгли на изход и пристигане, максимална използваема честота (MUF) и най-малко използваема честота (LOF).

Ако йоносферата е хомогенна в хоризонтална посока, тогава траекторията на вълната е симетрична. Обикновено излъчването възниква в определен диапазон от ъгли, тъй като ширината на диаграмата на излъчване на късовълновите антени във вертикалната равнина е 10-15 °. Минималното разстояние на скок, за което условието за отражение е изпълнено, се нарича разстояние на безшумната зона (ZZ). За отразяване на вълна е необходимо работната честота да не е по-висока от стойността на максималната приложима честота (MUF), която е горната граница на работния диапазон за дадено разстояние. Вълна 4.

Използването на противовъздушни радиационни антени, като един от методите за намаляване на зоната на мълчание, е ограничено от концепцията за максималната приложима честота (MUF), като се вземе предвид нейното намаляване с 15-20% от MUF. Антените за противовъздушно излъчване се използват за излъчване в близката зона по метода на еднократно отражение от йоносферата.

Второто условие ограничава работния диапазон отдолу: колкото по-ниска е работната честота (в рамките на късовълновия диапазон), толкова по-силно е поглъщането на вълната в йоносферата. Най-ниската приложима честота (LOF) се определя от условието, че при мощност на предавателя от 1 kW силата на електрическото поле на сигнала трябва да надвишава нивото на шума и следователно поглъщането на сигнала в йоносферните слоеве не трябва да бъде повече от допустимото . Електронната плътност на йоносферата се променя през деня, през годината и през периода на слънчева активност. Това означава, че границите на работния диапазон също се променят, което води до необходимостта от промяна на работната дължина на вълната през деня.

Честотен диапазон 1,5–3 MHz,е нощен. Ясно е, че за да проведете успешно радиокомуникационна сесия, трябва всеки път да избирате правилната честота (дължина на вълната) и това също усложнява дизайна на станцията, но за истински познавач на комуникациите на дълги разстояния това не е трудност, това е част от хобито. Нека да оценим HF диапазона по области.

Честотен диапазон 5-8 MHz,в много отношения е подобен на обхвата от 3 MHz и за разлика от него, тук през деня можете да комуникирате до 2000 км; няма зона на тишина (ZZ) и е няколко десетки километра. През нощта комуникацията е възможна на всяко разстояние, с изключение на ZM, което се увеличава до няколкостотин километра. По време на променящите се часове на деня (залез/изгрев), те са най-удобни за комуникация на дълги разстояния. Атмосферните смущения са по-слабо изразени, отколкото в диапазона 1,5-3 MHz.

В честотния диапазон 10-15 MHzПо време на периоди на слънчева активност дневните комуникации са възможни с почти всяка точка на земното кълбо. През лятото продължителността на радиокомуникацията в този честотен диапазон е денонощна, с изключение на определени дни. Зоната на мълчание през нощта има разстояния от 1500-2000 км и следователно са възможни само комуникации на дълги разстояния. През деня намаляват до 400-1000 км.

Честотен диапазон 27-30 MHzПодходящ за комуникация само през светлата част на деня. Това е най-капризната гама. Обикновено се отваря за няколко часа, дни или седмици, особено когато сезоните се сменят, т.е. през есента и пролетта. Зоната на мълчание (ZZ) достига 2000-2500 км. Това явление е свързано с темата за MUF, тук ъгълът на отразената вълна трябва да е малък по отношение на йоносферата, в противен случай тя има голямо затихване в йоносферата или просто отива в открития космос. Малките ъгли на излъчване съответстват на големи скокове и съответно големи зони на мълчание. В периоди на максимална слънчева активност комуникацията е възможна през нощта.

В допълнение към изброените модели са възможни случаи на аномално разпространение на радиовълни. Аномално разпространение може да възникне, когато на пътя на вълната се появи спорадичен слой, от който могат да се отразят по-къси вълни, до метри. Това явление може да се наблюдава на практика при преминаването на отдалечени телевизионни станции и FM радиостанции. MUF на радиосигнала през тези часове достига 60-100 MHz през годините на слънчевата активност.

В VHF FM обхвата,С изключение на редките случаи на аномално разпространение на радиовълни, разпространението се дължи стриктно на така наречената „линия на видимост“. Разпространението на радиовълните в рамките на линията на видимост говори само за себе си и се определя от височината на предавателната и приемащата антена. Ясно е, че в градските райони не можем да говорим за визуална или пряка видимост, но радиовълните преминават през градските райони с известно затихване. Колкото по-висока е честотата, толкова по-голямо е затихването в градските райони. Честотният диапазон 88-108 MHz също е обект на известно затихване в градски условия.

Заглъхване на HF радиосигнали

Приемането на къси радиовълни винаги е придружено от измерване на нивото на приемания сигнал, като тази промяна е случайна и временна. Това явление се нарича затихване на радиосигнала. В ефира има бързи и бавни затихвания на сигнала. Дълбочината на затихване може да достигне до няколко десетки децибела.

Основната причина за бързото затихване на сигнала е многостранното разпространение на радиовълните. В този случай причината за избледняването е пристигането в приемащата точка на два лъча, разпространяващи се през едно и две отражения от йоносферата, вълна 1 и вълна 3, вижте фиг. 2.

Тъй като лъчите изминават различни разстояния, техните фази на пристигане не са еднакви. Промените в електронната плътност, непрекъснато възникващи в йоносферата, водят до промяна в дължината на пътя на всеки от лъчите и следователно до промяна във фазовата разлика между лъчите. За да се промени фазата на вълната със 180°, е достатъчно дължината на пътя да се промени само с ½. Трябва да се припомни, че когато лъчите на един сигнал пристигнат в приемната точка със същата сила и с фазова разлика от 180 °, те се изваждат напълно според закона на векторите и силата на входящия сигнал в този случай може да да бъде равен на нула. Такива малки промени в дължината на пътя могат да се появят непрекъснато, така че колебанията в силата на електрическото поле в диапазона на късите дължини на вълната са чести и дълбоки. Техният интервал на наблюдение от 3-7 минути може да бъде при ниски честоти в HF диапазона и до 0,5 секунди при честоти по-близо до 30 MHz.

В допълнение, затихването на сигнала се причинява от разсейването на радиовълните върху нередности в йоносферата и интерференцията на разсеяните вълни.

В допълнение към затихването на смущенията, при къси вълни се получава поляризационно затихване. Причината за затихването на поляризацията е въртенето на поляризационната равнина на вълната спрямо приетата антена. Това се случва, когато вълната се разпространява по посока на линиите на магнитното поле на Земята и с промяна в електронната плътност на йоносферата. Ако предавателната и приемащата антени са хоризонтални вибратори, тогава хоризонтално излъчваната поляризирана вълна ще претърпи въртене на равнината на поляризация след преминаване през йоносферата. Това води до колебания в e. d.s., индуциран в антената, който има допълнително затихване до 10 dB.

На практика всички горепосочени причини за затихване на сигнала действат като правило комплексно и се подчиняват на описания закон за разпределение на Rayleigh.

Освен бързо затихване се наблюдава и бавно затихване, което се наблюдава с период от 40-60 минути в нискочестотната част на ВЧ диапазона. Причината за тези затихвания е промяна в абсорбцията на радиовълните в йоносферата. Разпределението на обвивката на амплитудата на сигнала по време на бавно затихване се подчинява на нормален логаритмичен закон с намаляване на сигнала до 8-12 dB.

За борба със затихването на къси вълни се използва методът на приемане с разнесени антени. Факт е, че увеличаването и намаляването на силата на електрическото поле не се случват едновременно дори върху сравнително малка площ от земната повърхност. В практиката на късовълновите комуникации обикновено се използват две антени, разделени от няколко дължини на вълната, като сигналите се комбинират след засичане. Ефективно е поляризационното разнообразие на антените, т.е. едновременно приемане на вертикални и хоризонтални антени с последващо добавяне на сигнали след откриване.

Бих искал да отбележа, че тези контрамерки са ефективни само за елиминиране на бързото затихване; бавните промени в сигнала не се елиминират, тъй като това е свързано с промяна в абсорбцията на радиовълни в йоносферата.

В любителската радиопрактика методът на разнообразната антена се използва доста рядко, поради високата цена на конструкцията и липсата на необходимост от получаване на достатъчно надеждна информация. Това се дължи на факта, че любителите често използват резонансни и обхватни антени, чийто брой в домакинството е около 2-3 броя. Използването на многообразно приемане изисква поне удвояване на набора от антени.

Друго нещо е, когато любител живее в селски район и има достатъчно площ, за да побере конструкция против избледняване, той може просто да използва два широколентови вибратора за това, покриващи всички или почти всички от необходимите диапазони. Единият вибратор трябва да е вертикален, а другият хоризонтален. За да направите това, изобщо не е необходимо да имате няколко мачти. Достатъчно е да ги поставите на една мачта, така че да са ориентирани една спрямо друга под ъгъл от 90°. Двете антени в този случай ще приличат на добре познатата "Inverted-V" антена.

Изчисляване на радиуса на покритие на радиосигнала в VHF/FM обхватите

Честотите на измервателния уред се движат в рамките на пряката видимост. Обхватът на разпространение на радиовълните в рамките на пряката видимост, без да се отчита мощността на излъчване на предавателя и други природни явления, които намаляват ефективността на комуникацията, изглежда така:

r = 3,57 (√h1 + √h2), km,

Нека изчислим радиусите на линията на видимостпри инсталиране на приемната антена на различни височини, където h1 е параметър, h2 = 1,5 м. Нека ги обобщим в таблица 1.

маса 1

h1 (m)	10	20	25	30	35	40	50	60
r (km)	15,6	20,3	22.2	24	25.5	27,0	29,6	32

Тази формула не взема предвид затихването на сигнала и мощността на предавателя; тя говори само за възможността за пряка видимост, като се вземе предвид идеално кръгла земя.

Нека направим изчислениенеобходимото ниво на радиосигнал заедно с приемане за дължина на вълната 3 m.

Тъй като по пътищата между предавателната станция и движещ се обект винаги има такива явления като отражения, разсейване, поглъщане на радиосигнали от различни обекти и т.н., трябва да се направят корекции на нивото на затихване на сигнала, предложено от японците учен Окумура.Стандартното отклонение за този диапазон с градски райони ще бъде 3 dB и с вероятност за комуникация от 99%, ще въведем коефициент 2, който ще възлиза на обща корекция P в нивото на радиосигнала от
P = 3 × 2 = 6 dB.

Чувствителността на приемниците се определя от отношението на полезния сигнал към шума от 12 dB, т.е. 4 пъти. Това съотношение не е приемливо за висококачествено радиоразпръскване, така че ще въведем допълнителна корекция от още 12–20 dB и ще приемем 14 dB.

Общо общата корекция в нивото на приемания сигнал, като се вземе предвид неговото затихване по пътя и спецификата на приемащото устройство, ще бъде: 6 + 16 20 dB (10 пъти). След това, с чувствителност на приемника от 1,5 μV. на мястото на приема поле със сила на 15 µV/m.

Нека изчислим по формулата на Введенскиобхват при дадена сила на полето от 15 µV/m, като се вземат предвид мощността на предавателя, чувствителността на приемника и градските райони:

където r е km; P - kW; G - dB (=1); h - m; λ - m; E - mV.

Това изчисление не взема предвид усилването на приемната антена, както и затихването във фидера и лентовия филтър.

Отговор:При мощност от 10 W, височина на излъчване h1 = 27 метра и h2 = 1,5 m, наистина висококачественото радиоприемане с радиус в градските райони ще бъде 2,5-2,6 km. Ако вземем предвид, че приемането на радиосигнали от вашия радиопредавател ще се извършва на средните и високите етажи на жилищни сгради, тогава този обхват на действие ще се увеличи приблизително 2-3 пъти. Ако получавате радиосигнали с помощта на отдалечена антена, обхватът ще бъде десетки километри.

73! UA9LBG & Радио-Вектор-Тюмен

Н. - Как се приемат радиовълните?

L. - С помощта на приемна антена, която е проводник, разположен на пътя на разпространение на вълната, преминавайки през който електромагнитните вълни индуцират в него високочестотни токове. Тези вълни преминават през диелектрици без никакво затихване. Въпреки това, като индуцират токове в проводниците, те губят част от енергията си.

Н. – Плашиш ме, Любознайкин. Човешкото тяло е проводник на електричество. Следователно вълните на всички радио и телевизионни предаватели индуцират токове в тялото ми?

Л. – Несъмнено, но успокойте се: тези токове са изключително малки и по никакъв начин не могат да ви навредят.

Н. – Толкова по-добре. Как се държат в радио или телевизионни приемници?

Л. - Тук индуцираните от тях токове също са много малки. Антената е директно или индуктивно свързана към входния трептящ кръг на приемника. Ако веригата е настроена на честотата на получените вълни, тогава поради явлението резонанс във веригата възниква относително голям ток.

Антената трябва да бъде заземена през бобината. Ако осцилиращата верига е свързана директно между антената и земята (фиг. 44) и ако е точно настроена на честотата на приетите вълни, нейното съпротивление е голямо, така че спадът на напрежението, създаден от антенните токове в клемите на веригата е относително висока.

Персонализиране и селективност

Н. - Какво се случва, ако веригата не е в резонанс с получените вълни?

L. - В този случай общото му съпротивление ще стане по-малко, което ще доведе до намаляване на напрежението на клемите на веригата.

Ориз. 44. В приемника веригата за настройка може да бъде свързана директно между антената и земята (a) или индуктивно свързана към намотката, през която протичат токове, индуцирани от получените сигнали (b).

Ориз. 45. Криви, показващи как се променя напрежението U на трептящия кръг в зависимост от честотата на сигнала. Кривите са представени за верига с ниска (а) и висока (б) селективност.

Ориз. 46. Превключването от един диапазон на воля към друг се извършва чрез превключване на намотки (а) или част от завоите на една намотка (б).

Това е самият феномен, който е в основата на селективността на веригата, нейната способност да приема най-добре честотите, на които е настроена.

Чрез измерване на напрежението през клемите на веригата при различни честоти може да се начертае крива на селективност, показваща как напрежението варира в зависимост от честотата (Фигура 45).

Н. - Какво определя формата на тази крива? Имам предвид, на първо място, неговата по-голяма или по-малка ширина, тъй като колкото по-тясна е тази крива, толкова по-висока според мен е селективността на контура.

Л. – И не грешите. Селективността се определя от коефициента на затихване на веригата. Този коефициент зависи главно от активното съпротивление на намотката, което внася загуби във веригата.

Н. - Как е възможно да се настрои осцилаторната верига в резонанс с честотата на предаване, която те искат да получат?

L. - За да направите това, настройте веригата на желаната честота, като съответно промените индуктивността на намотката или капацитета на кондензатора. Ако използвате променлив кондензатор, настройката може да се извърши плавно. Що се отнася до индуктивността, тя обикновено се променя на скокове, за да превключите обхвати, например, за да превключите от дълги вълни към къси. За тази цел се използва превключвател, който ви позволява да замените една намотка с друга или да използвате част от намотките на една намотка, която има специални кранове (фиг. 46). Преди това се използват и бобини с плавна промяна на индуктивността. Пример за такова устройство е вариометър, състоящ се от две последователно свързани намотки, едната от които може да се върти вътре в другата и по този начин да се променя тяхната взаимна индуктивност.

Н. - Добре. Разбрах как се излъчват вълни и как се приемат. Но как се създават вълни, за да предават звук или изображение? И как успявате да ги възпроизведете, когато ги получите?

Л. – Всичко това ще изисква много обяснения. Самият чичо ми и аз вече можем да преминем към тези въпроси, тъй като сте разбрали основите на общата електротехника.