Hvordan stråling, transmission og modtagelse af radiobølger opstår. Modtagelse af radiobølger

Emission af radiobølger er processen med excitation af vandrende elektromagnetiske bølger af radioområdet i rummet omkring kilden til strøm- eller ladningsoscillationer. I dette tilfælde omdannes kildens energi til energien fra elektromagnetiske bølger, der forplanter sig i rummet. Modtagelse af radiobølger er den omvendte proces af stråling. Det består i at konvertere energien fra elektromagnetiske bølger til vekselstrømsenergi. I. og p.r. udføres ved hjælp af sende- og modtageantenner (se).

Emission af radiobølger. Kilden til primære elektriske svingninger kan være vekselstrømme, der strømmer gennem ledere, variable felter osv. Dog vekselstrømme af relativt lav frekvens (f.eks. industriel frekvens 50 Hz) er uegnede til stråling: ved disse frekvenser er det umuligt at skabe en effektiv emitter. Faktisk, hvis der forekommer elektriske svingninger, for eksempel i en induktansspole, hvis dimensioner er små sammenlignet med bølgelængden λ svarende til oscillationsfrekvensen af strømmen, der flyder i spolen, for hver sektion med en retning af strømmen, f. eksempel EN (ris. 1 ), er der et andet afsnit I, fjernt fra EN til en afstand mindre end λ/2, hvor strømmens retning på samme tidspunkt er modsat. På lange afstande fra drejning af bølgerne, der udsendes af elementerne EN Og I, svække hinanden. Da spolen består af sådanne par af modfaseelementer, udstråler den, og derfor hele spolen, dårligt. Den udsender også dårligt, hvis den indeholder en induktor og en kondensator. På hvert tidspunkt af tiden er ladningerne på kondensatorpladerne lige store, modsatte i fortegn og adskilt fra hinanden i en afstand væsentligt mindre end λ/2.

Af ovenstående følger det, at for effektiv stråling af radiobølger kræves et åbent (åbent) kredsløb, hvor der enten ikke er sektioner med modfasesvingninger af strøm eller ladning, eller afstanden mellem dem ikke er lille sammenlignet med λ/2 . Hvis dimensionerne af kredsløbet er sådan, at udbredelsestiden for elektriske ændringer magnetfelt i den er sammenlignelig med perioden med strøm- eller ladningssvingninger (hastigheden af udbredelse af forstyrrelser er begrænset), så er betingelserne for kvasi-stationaritet ikke opfyldt (se), og en del af kildeenergien går tabt i form af elektromagnetiske bølger . Til praktiske formål kan elektromagnetiske bølger med λ< 10 km.

Udsendere. Den enkleste emitter radiobølger består af to segmenter EN Og I lige leder, fastgjort til enderne OO" to-leder linje, langs hvilken den elektromagnetiske bølge forplanter sig ( ris. 2 ). I segmenter EN Og I under påvirkning af bølgens elektriske felt sker bevægelsen af ladninger, dvs. vekselstrøm. På hvert tidspunkt af tiden oplades på punkter OM Og OM" lige store og modsatte i fortegn, altså segmenter EN Og I danne en elektrisk dipol, som bestemmer konfigurationen af det elektriske felt, den skaber. På den anden side strømme i segmenter EN Og I falder sammen i retning, derfor er de magnetiske feltlinjer, som i tilfældet med en retlinet strøm, cirkler ( ris. 3 ). I rummet omkring dipolen opstår således et elektromagnetisk felt, hvori felterne E Og N vinkelret på hinanden. Det elektromagnetiske felt forplanter sig i rummet og bevæger sig væk fra dipolen ( ris. 4 ).

De bølger, der udsendes af dipolen, har en vis polarisering. Elektrisk feltstyrke vektor E bølger ved observationspunktet OM (ris. 3 ) ligger i det plan, der går gennem dipolen og radiusvektoren r, trukket fra midten af dipolen til observationspunktet. Magnetisk felt vektor N vinkelret på dette plan.

Et vekslende elektromagnetisk felt opstår i hele rummet omkring dipolen og spredes fra dipolen i alle retninger. Dipolen udsender en sfærisk bølge, som lang distance fra dipolen kan betragtes som flad (lokalt flad). Imidlertid er amplituderne af de elektriske og magnetiske feltstyrker skabt af dipolen, og derfor den udsendte energi, forskellige i forskellige retninger. De er maksimale i retninger vinkelret på dipolen og falder gradvist til nul langs dipolaksen. I denne retning udstråler dipolen praktisk talt ikke. Fordelingen af udstrålet effekt i forskellige retninger er karakteriseret ved et strålingsmønster. Det rumlige strålingsmønster af dipolen har form af en toroid ( ris. 5 ).

Fuld kraft, udsendt af en dipol, afhænger af den leverede effekt og forholdet mellem dens længde l og bølgelængde λ. For at en dipol kan udstråle en betydelig del af den strøm, der leveres til den, bør dens længde ikke være lille sammenlignet med λ/2. Relateret til dette er vanskeligheden ved at udsende meget lange bølger. Hvis l Hvis det er valgt rigtigt, og energitabene til opvarmning af dipollederne og ledningen er små, så bruges den overvejende del af kildeeffekten på stråling. Således er dipolen en forbruger af kildestrøm, svarende til en inkluderet i enden af linjen aktiv modstand bruger den tilførte strøm. I denne forstand har dipolen strålingsmodstand R Og, lig med det aktiv modstand, som ville forbruge den samme strøm.

Dipolen beskrevet ovenfor er den enkleste sendeantenne og kaldes en symmetrisk vibrator. For første gang blev en sådan vibrator brugt af G. (1888) i eksperimenter, der opdagede eksistensen af radiobølger. Elektriske svingninger i Hertz-dipolen (se) blev exciteret ved hjælp af en gnistutladning - den eneste kilde til elektriske svingninger kendt på det tidspunkt. Sammen med en symmetrisk vibrator bruges en asymmetrisk vibrator (til længere bølger) ( ris. 6 ), exciteret ved bunden og udstråler ensartet i det vandrette plan.

Sammen med trådantenner (trådvibratorer) findes der andre typer radiobølgesender. Magnetiske antenner er meget udbredt. Det er en stang lavet af magnetisk materiale med høj magnetisk permeabilitet μ , hvorpå en spole af tynd tråd er viklet. De magnetiske feltlinjer på den magnetiske antenne gentager billedet elledninger elektrisk felt af en ledningsdipol ( ris. 7 , a, b), hvilket skyldes dualitetsprincippet.

Hvis i væggene i en eller en volumetrisk resonator (se) , hvor vekseloverfladestrømme med ultrahøje frekvenser flyder, skærer en spalte, så den krydser strømmens retning, så bliver strømfordelingen kraftigt forvrænget, afskærmningen brudt, og elektromagnetisk energi udstråles udad. Feltfordelingen af en slot-emitter svarer til feltfordelingen af en magnetisk antenne. Derfor kaldes en slot-emitter en magnetisk dipol ( ris. 7 , c, d ; se også ). Strålingsmønsteret for magnet- og slot-emitterne såvel som den elektriske dipol er en toroid.

Mere retningsbestemt stråling skabes af antenner, der består af flere lednings- eller slot-emittere. Dette er resultatet af interferens fra radiobølger (se) udsendt af individuelle sendere. Hvis strømmene, der føder dem, har samme amplitude og fase (ensartet in-fase excitation), så i en tilstrækkelig lang afstand i retningen vinkelret på den udstrålende overflade, har bølgerne fra individuelle emittere de samme faser og giver maksimal stråling. Feltet skabt i andre retninger er meget svagere. En lille stigning i feltstyrken forekommer i de retninger, hvor faseforskellen af bølgerne, der kommer fra de yderste emittere, er lig med ( n+ 1) π/2, hvor n- heltal. I dette tilfælde indeholder sektionen af strålingsmønsteret ved flyet et antal lapper ( ris. 8 ), hvoraf den største kaldes den vigtigste og svarer til den maksimale stråling, resten kaldes side.

Moderne antenneteknologi bruger antenne arrays, indeholdende op til 1000 emittere. Overfladen, hvorpå de er placeret, kaldes antennens åbning (åbning) og kan have enhver form. Ved at indstille forskellige fordelinger af amplituder og faser af strømme på aperturen kan enhver form for strålingsmønsteret opnås. Common-mode excitation af emittere, der danner et fladt array, gør det muligt at opnå meget høj strålingsdirektivitet, og ændring af strømfordelingen over aperturen gør det muligt at ændre formen på retningsmønsteret.

For at øge retningsvirkningen af stråling, som er karakteriseret ved bredden af hovedlappen, er det nødvendigt at øge antennens størrelse. Sammenhæng mellem hovedlapbredden θ , største størrelseåbninger L og udsendt bølgelængde λ bestemmes af formlerne:

til common-mode excitation og

hvis emitterne er placeret langs en bestemt akse, og faseforskydningen i dem er valgt, så den maksimale stråling er rettet langs denne akse ( ris. 9 ). MED- konstanter, afhængig af fordelingen af strømamplituden over blænden.

Hvis en radiobølgeleder gradvist udvider sig mod den åbne ende i form af en tragt eller et horn ( ris. 10 ), så omdannes bølgen i bølgelederen gradvist til en bølge karakteristisk for Fri plads. En sådan hornantenne producerer retningsbestemt stråling.

Meget høj strålingsdirektivitet (op til brøkdele af en grad ved decimeter og kortere bølger) opnås ved brug af spejl- og linseantenner. I dem, takket være processerne med refleksion og brydning, omdannes den sfæriske bølgefront, der udsendes af en elektrisk eller magnetisk dipol eller en hornemitter, til en flad. Men på grund af diffraktion (Se) af bølger, har diagrammet i dette tilfælde også en hoved- og sidelapper retning. Reflektorantennen (Se) er et metalspejl 1 , oftere i form af en del af en rotationsparaboloid eller en parabolsk cylinder, i hvis fokus er den primære emitter ( ris. elleve ). Linser til radiobølger er tredimensionelle gitter af metalkugler, stænger mv. (kunstig dielektrik) eller et sæt rektangulære bølgeledere.

Modtagelse af radiobølger. Hver sendeantenne kan tjene som en modtageantenne. Hvis en elektrisk dipol påvirkes af en bølge, der udbreder sig i rummet, så exciterer dens elektriske felt strømsvingninger i dipolen, som derefter forstærkes, konverteres i frekvens og påvirker udgangsenhederne. Det kan vises, at dipolens strålingsmønstre i modtage- og sendetilstanden er de samme, dvs. at dipolen modtager bedre i de retninger, hvor den udstråler bedre. Dette er en fælles egenskab for alle antenner, som følge af princippet om gensidighed: hvis du placerer to antenner - den sender EN og reception I- ved begyndelsen og slutningen af radiokommunikationslinjen, generatoren, der føder antennen EN, skiftet til modtageantennen I, skaber i den modtagende enhed skiftet til antennen EN, samme strøm som når den er tilsluttet antennen EN, skaber det i modtageren, der er inkluderet i antennen I. Princippet om gensidighed giver os mulighed for at bestemme dens egenskaber som en modtageantenne ud fra egenskaberne af den sendeantenne.

Den energi, som en dipol udvinder fra en elektromagnetisk bølge, afhænger af forholdet mellem dens længde l, bølgelængde λ og vinkel ψ mellem retningen v bølgeankomst og dipol. Vinklen φ mellem retningen af den elektriske bølgevektor og dipolen ( ris. 12 ). Bedste modtageforhold, ved φ = 0. Ved φ = π/2 elektricitet i dipolen er ikke exciteret, dvs. der er ingen modtagelse. Hvis 0< φ < π/2, то очевидно, что энергия, извлекаемая приёмной антенной из поля Излуче ние и приём радиово лн (Ecosφ) 2. Med andre ord er denne energi forbundet med polariseringen af den indkommende bølge. Af ovenstående følger, at ved udsendende og modtagende dipoler for de bedste forhold Til modtagelse er det nødvendigt, at begge dipoler ligger i samme plan, og at den modtagende dipol er vinkelret på bølgeudbredelsesretningen. I dette tilfælde udtrækker den modtagende dipol fra den indkommende bølge lige så meget energi, som denne bølge bærer med sig, og passerer gennem et tværsnit i form af en firkant med en side lig med

Ejere af patent RU 2598866:

Metoden til at modtage radiobølger inkluderer konvertering elektromagnetisk stråling ind i elektrisk strøm. For at øge den elektriske feltstyrke er der desuden placeret en antenne på modtagestedet, hvor de aktive elementer er lavet af et tyndt, dobbeltkantet metalbånd, der er skærpet på begge kanter. Det tekniske resultat er at øge den elektriske feltstyrke. 4 syge.

Opfindelsen angår området radiokommunikation og fjernsynsmodtagelse.

Der er en kendt metode til at modtage radiobølger, hvor omdannelsen af elektromagnetisk stråling af radiofrekvensområdet til elektrisk strøm udføres ved hjælp af en antenne, som er en enkelt vibrator (se bogen: Miller G. Antennas. Praktisk guide. - Skt. Petersborg: Videnskab og teknologi, 2012, s. 24-25).

Ulempen ved denne metode til at modtage radiobølger er, at en sådan antenne ikke koncentrerer det elektriske felt ved signalmodtagelsespunktet, det vil sige, at den ikke øger den elektriske feltstyrke i umiddelbar nærhed af vibratoren. En anden ulempe ved denne metode til at modtage radiobølger er den lave faktiske følsomhed af enkelte vibratorer. Forstærkningen af sådanne antenner, når de modtager et signal i forhold til en isotrop emitter, svinger i området 1-3 dB.

Den tekniske essens tættest på den foreslåede opfindelse er en metode til modtagelse af radiobølger, hvor modtageanordningen er en to-spejlsantenne (se bogen: Miller G. Antennas. Practical Guide. - St. Petersburg: Science and Technology, 2012, s. 272-276). Backfire Antenna blev foreslået i 1960 af Ehrenspeck. Der er to versioner af denne antenne. En kort to-spejlsantenne er mest velegnet som prototype. Antennen har et aktivt element og to flade reflektorer. Antennen giver en forstærkning på 13 dB. Begge reflekser er lavet af finmasket metalnet. Det aktive element (vibrator) er placeret i en afstand på 0,25λ fra hoved- og hjælpereflektorerne. Her er λ bølgelængden. Når antennen fungerer, opstår der en stående bølge på grund af refleksion fra hoved- og hjælpereflektorerne. Vibratoren er installeret ved antinoden af en stående bølge, hvor signalamplituden er dobbelt så høj som i den indkommende elektromagnetiske bølge. Dermed sikrer prototypen koncentration elektromagnetisk felt ved antenneplaceringen på grund af dannelsen af en stående bølge af reflektorer. Det aktive element i selve to-spejlsantennen øger dog ikke den elektriske feltstyrke i det område, hvor vibratoren er placeret.

Ulempen ved prototypen er, at antennevibratoren ikke koncentrerer det elektriske felt ved modtagepunktet, det vil sige, at det ikke øger den elektriske feltstyrke nær det aktive element.

Formålet med den foreslåede metode til modtagelse af radiobølger er at øge den elektriske feltstyrke på modtagestedet, hvilket gør det muligt at øge rækkevidden af pålidelig tv- og radiomodtagelse.

Det tekniske resultat af at bruge den foreslåede metode til at modtage radiobølger er at øge rækkevidden af pålidelig tv- og radiomodtagelse. Dette sikres ved, at et svagt elektrisk felt forstærkes ved at koncentrere det på vibratorbladets skarpe kant til en værdi, der sikrer normal drift af antennen. Koncentrationen af det elektriske felt på modtagestedet øger den elektriske feltstyrke nær antennen. En modtager, der implementerer den foreslåede metode til at modtage radiobølger, er i stand til sikkert at modtage et signal, der ikke vil blive modtaget af andre modtagere, der er placeret på samme punkt, da signalet på modtagepunktet for dem ikke øges og derfor vil være svagere end den iboende støj fra antennen og det første forstærkningstrin selv efter forstærkning vil blive overvældet af kraftigere støj. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen til at modtage radiobølger har øget reel følsomhed og kan anvendes til langdistanceudbredelse af radiobølger. Med langdistanceudbredelse af radiobølger begynder mange forhold at påvirke signalniveauet: vejrændringer, tilstedeværelsen af regn eller sne, magnetiske storme, solpletter. Rumkrav TV antenne endnu strengere end til en ekstern antenne. Hvis ekstern antenne kan være af enhver størrelse, så skal indendørsantennen være kompakt. Dette tillader ikke brug af højeffektive typer antenner, der har store dimensioner. På de nederste etager i bygninger i byområder med flere etager er signalet meget svagt, udsat for flere refleksioner og ændrer sig meget (ti til hundredvis af gange) over tid, såvel som ved flytning af mennesker, dyr eller omarrangering af møbler i rummet. Den elektriske feltstyrke i et rum varierer selv inden for ti centimeter. Dæmpning er forårsaget af vægge og vinduer. Signalet kan reflekteres fra nabobygninger, biler og andre bevægelige genstande og kommer derfor ikke til antennen fra tv-centret, men fra en anden retning, som hele tiden ændrer sig. Signalet vil være særligt svagt i tilfælde af langtrækkende udbredelse af radiobølger, det vil sige uden for synsvidde. Det antages, at sigtelinjeafstanden ikke overstiger 25 km. En indendørs antenne, der implementerer den foreslåede metode til at modtage radiobølger, er lavet til at fungere ved 28 decimeter tv-kanal for at sikre tv-modtagelse af det digitale signal fra det første multiplex i en stor by. Afstanden fra antennen til tv-centeret er mere end 45 km. Dette sikrer stabil, høj kvalitet fjernsynsmodtagelse 10 digitale tv-kanaler og tre digitale radiostationer på anden sal i en ni-etagers murstensbygning, omgivet af de samme ni-etagers bygninger. Antennen modtager et signal, der reflekteres fra væggen i bygningen overfor. Brug af indendørs antenner industriel produktion at modtage det digitale signal fra den første multipleks var ikke vellykket. Digitalt signal blev ikke accepteret, da alle indendørs antenner er designet til at fungere i et område med pålidelig modtagelse inden for synsvidde i afstande på op til 25 km. Ansøgning indendørs antenne til modtagelse digitalt tv har gode økonomiske udsigter, da det giver dig mulighed for at nægte tjenester fra en kollektiv antenne, satellit eller kabel-tv. De ovennævnte signalkilder er kommercielle, og deres tjenester bliver konstant dyrere. Brug derfor en indendørs antenne til langdistancemodtagelse digitalt tv giver godt økonomisk effekt og betaler sig hurtigt tilbage. Desuden, hvad der sker videre udvikling digital tv-udsendelse, lanceres en anden multiplex, som vil fordoble antallet af gratis kanaler, der modtages. Brugen af den foreslåede metode til modtagelse af radiobølger gør det muligt at øge rækkevidden af pålidelig tv- og radiomodtagelse ikke kun for nydesignede antenner, men også for dem, der er i drift, ved at erstatte standard aktive elementer med båndvibratorer. Udskiftning kan foretages for de fleste typer antenner: alle typer simple og gruppeemittere, bølgekanalantenner, ramme- og aktive antenner. En sådan udskiftning er omkostningseffektiv, da prisen på vibratoren er meget mindre end prisen på hele antennen. Det er mere korrekt kun at udskifte én vibrator i antennen end helt at udskifte den gamle antenne med en mere effektiv og dermed mere kompleks og dyrere ny antenne. Fra en tynd, dobbeltkantet metaltape, slebet på begge sider, kan du gøre alt. kendte typer vibratorer og passive elementer i modtageantenner. Et andet resultat af anvendelsen af den foreslåede metode til modtagelse af radiobølger er muligheden for at reducere sendernes effekt i samme rækkevidde af pålidelig modtagelse.

Påstået teknisk resultat Metoden til at modtage radiobølger ved at konvertere elektromagnetisk stråling til elektrisk strøm opnås ved, at der for at øge den elektriske feltstyrke placeres en antenne ved modtagestedet, hvor de aktive elementer er lavet af et tyndt, dobbeltkantet metal tape, skærpet på begge kanter.

Den foreslåede metode til at modtage radiobølger er illustreret på tegningerne:

fig. 1 - koncentration af det elektriske felt i området af den skarpe kant af bladet;

fig. 2 - diagram af en bæltevibrator på en trådramme;

fig. 3 - skematisk tegning af antennen;

fig. 4 - diagram af en båndvibrator i en eksperimentel antenne.

Det fysiske princip for drift af metoden til at modtage radiobølger

For at øge den elektriske feltstyrke placeres en antenne på modtagestedet, hvor det aktive element er lavet af et meget tyndt (ikke mere end 0,05 mm), dobbeltkantet metalbånd, skærpet på begge kanter. Tapen skal slibes på begge sider, og bladets skarphed efter slibning bør ikke overstige 1-2 mikron. Den skarpe kant af båndvibratoren er installeret vinkelret på bølgeudbredelsesretningen. Ved den skarpe kant af båndvibratoren sker der en kraftig stigning i den elektriske feltstyrke, som vist i fig. 1. En høj værdi af den elektriske feltstyrke ved vibratorens placering fører til en stigning i spændingen ved vibratorens udgang. Spændingen ved udgangen af en antenne med en vibrator lavet af dobbeltkantet tynd metaltape er væsentligt højere end spændingen ved udgangen af en lignende vibrator lavet af tråd, rør eller andre materialer. Spændingen ved udgangen af en vibrator lavet af et dobbeltkantet, meget tyndt metalbånd, der er slebet på begge kanter, stiger på grund af en velkendt fysisk effekt: en kraftig stigning i den elektriske feltstyrke nær meget skarpe fremspring (se bog: Frish S.E., Timoreva A.V. Kursus Generel fysik: Lærebog i 3 bind T. Elektriske og elektromagnetiske fænomener - St. Vingen koncentrerer det elektriske felt på skarpe kanter, hvilket øger feltet nær antennen og spændingen ved antenneudgangen. Denne effekt bruges i vid udstrækning, for eksempel i design af systemer til beskyttelse af industrianlæg mod lynnedslag, når høje master med skarpe stifter for enden, placeret i umiddelbar nærhed af de beskyttede objekter, bøjer det elektriske felt, øger det elektriske felt styrke i området for deres placering. I dette tilfælde reduceres den elektriske feltstyrke over de beskyttede objekter til en sikker værdi. I middelalderen blev virkningen af en kraftig stigning i den elektriske feltstyrke i nærheden af genstande med skarpe kanter ofte observeret i toppen af skibsmaster i form af et skær, som blev kaldt St. Elmo's lys (se bog: Frish S.E., Timoreva A.V. Kursus i almindelig fysik: Lærebog i 3 bind T. Elektriske og elektromagnetiske fænomener - St. Petersburg: Lan Publishing House, s. For at reducere gnistdannelse på skarpe kanter forsøger de i øjeblikket også at lave elementer af kraftfulde radiosende antenneenheder uden skarpe fremspring. Men alle disse eksempler og argumenter vedrørte det statiske elektriske felt. Vil en sådan effekt eksistere for det elektromagnetiske felt? Svaret er givet af Maxwells ligningssystem, som beskriver hele det elektromagnetiske felts interaktioner med stof og betingelserne for udbredelsen af det elektromagnetiske felt i stof. Forholdet mellem den elektriske komponent af det elektromagnetiske felt og den volumetriske ladningstæthed i udbredelsesmediet er beskrevet af en af Maxwells ligninger, som kaldes divergensligningen:

Ofte er ligning (1) skrevet som følger:

Af ligning (2) følger det, at summen af de partielle afledte af det elektriske felt langs koordinatakserne er lig med 4πρ. Når der ikke er nogen eksterne eller inducerede ladninger, så er ρ=0. Inducerede ladninger opstår på grund af påvirkningen af det elektromagnetiske felt på antennevibratoren. Højfrekvent vekselstrøm løber gennem antennen. På grund af hudeffekten strømmer strømme forårsaget af påvirkningen af et elektromagnetisk felt på en metalvibrator langs lederens overflade. Strømmen, der løber gennem vibratoren, er forårsaget af ladningers bevægelse. Disse ladninger kaldes inducerede ladninger. Fordelingen af ladninger over antenneoverfladen er ujævn og bestemmes primært af vibratorens størrelse. Derudover afhænger tætheden af inducerede ladninger af tykkelsen af vibratorbåndet. Jo tyndere tapen er, jo større tæthed af inducerede ladninger. Ladningen som følge af påvirkningen af det elektromagnetiske felt vil blive fordelt i et mindre volumen, hvilket øger den volumetriske ladningstæthed ρ. En særlig signifikant stigning i volumentætheden af den inducerede ladning vil blive observeret ved den skarpe kant af et tyndt bånd. Ligning (2) viser, at det elektriske felt afhænger af tilstedeværelsen af inducerede eller indførte eksterne ladninger. Når en volumetrisk ladningstæthed (ρ>0) vises, vil de retningsbestemte afledte af det elektriske felt ændre sig. Den partielle afledning af den elektriske feltstyrke med hensyn til retning viser, hvordan det elektriske felt ændres i den retning. Hvis den partielle afledte mhp denne retning er positiv, så stiger den elektriske feltstyrke i den retning, og hvis negativ, så falder det elektriske felt i den retning. Hvis højre del ligning (2) stiger og bliver større end nul, så bør en eller flere partielle afledte af den elektriske feltstyrke også stige. Med andre ord, når rumladningstætheden stiger, vil den elektriske feltstyrke i nogle retninger også stige. Det uforstyrrede elektriske felt langt fra rumladningen vil have en lavere intensitet end i nærheden af rumladningen. Løsningen til ligning (1) er mulig for konkrete tilfælde gennem Poisson-ligningen. Selv en kvalitativ undersøgelse af ligning (2) bekræfter imidlertid tilstedeværelsen af virkningen af en stigning i den elektriske feltstyrke ved den skarpe kant af båndvibratoren. Rumladningstætheden ved den skarpe kant af lederen øges kraftigt. Den volumetriske ladningstæthed vil stige mod den skarpe kant. Følgelig vil den skarpeste stigning i den elektriske feltstyrke blive observeret i retning af den største gradient af volumenladningstætheden. Højeste værdi elektrisk feltstyrke vil opstå i umiddelbar nærhed af den skarpe kant. En båndvibrator, der implementerer den opfindsomme metode til at modtage radiobølger, er vist i fig. 2. For at øge den mekaniske styrke kan båndet svejses punktsvejsning til en wire eller rørramme. Lad os overveje mere detaljeret, hvad fænomenet elektrisk feltkoncentration på den skarpe kant af en båndvibrator fører til. I teorien om tv- og radiomodtagelse er der konceptet om modtagerens reelle følsomhed. Det kendetegner modtagerens evne til at modtage svage signaler under forhold med støj og ekstern interferens. Modtagerens reelle følsomhed er lig med emk af signalet i antennen, hvor signalspændingen ved modtagerens udgang overstiger interferensspændingen så meget, at signalgengivelse af høj kvalitet sikres. Ekstern interferens og indre støj forstyrrer det modtagne signal og reducerer modtagerens faktiske følsomhed. Derfor er følsomhed normalt karakteriseret ved det laveste indgangssignalniveau, der giver et givet signal-til-støj-forhold ved forstærkerens udgang. I radioudsendelser accepteres det, at indgangssignalniveauet skal overstige støjniveauet med 20 dB (10 gange), og i VHF-området med 26 dB (20 gange). Den reelle følsomhed for radiomodtagere i topklasse i DV-, SV- og HF-båndene er 50 µV, og for lavere klasser 200-300 µV. Hvis modtagelsen udføres ved hjælp af en intern magnetisk antenne, skal modtagerens følsomhed være inden for 1-3 mV/m. Følsomheden af middelklasses broadcast-modtagere i VHF-området er 10-30 µV, og for high-end broadcast-modtagere er den 5 µV. Moderne tv-modtagere har en reel følsomhed på omkring 40 µV. Moderne modtagere mobil kommunikation have følsomhed på niveau med tiendedele af en mikrovolt. Den additive blanding af "signal plus støj" fra antenneudgangen går til det første forstærkningstrin tv-modtager. På grund af forstærkerens ulinearitet vil forstærkningsresultatet være forskelligt afhængigt af forholdet mellem signalet og støjen. To tilfælde er vigtige: S/N>1 og 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.

En enhed, der implementerer den foreslåede metode til modtagelse af radiobølger, er vist i fig. 3. Antennen er en vibrator placeret bag en flad reflektor. Reflektoren indeholder tre paneler lavet af foliefiber. Hovedreflektorpanelet er installeret parallelt med vibratorplanet, og de to andre er placeret over og under i forhold til hovedreflektorpanelet i en vinkel i forhold til det. Reflektoren og vibratoren er placeret på chassiset. Det aktive element i antennen er en ledningshalvbølgesløjfevibrator, hvorpå der er placeret plader med meget skarpe kanter. Dobbeltkantede barberblade bruges som sådanne plader. Bladene er monteret på en trådramme i hele vibratorens længde. Bladets plan er vinkelret på vibratorens plan (fig. 4). En halvbølgesløjfevibrator har en modstand på 300 Ohm ved resonansfrekvensen, så en halvbølge U-albue blev brugt til at matche den med et koaksialkabel med en modstand på 75 Ohm. Denne type matching er god, fordi den også afbalancerer antennen. For at øge indgangssignalet er vibratoren installeret ved antinoden af en stående elektromagnetisk bølge i en afstand fra reflektoren. Her er λ den bølgelængde, som vibratoren er indstillet til. Ved antinoden af en stående bølge fordobles signalamplituden. To fysiske fænomener bruges til at øge inputsignalet. For det første bruges fænomenet med en stigning i det elektromagnetiske felt ved den skarpe kant af en tynd båndvibrator, der er skærpet på begge sider. Det andet fysiske fænomen, der øger signalniveauet i antennen, er brugen af stående bølger (se bogen O.S. Litvinov, B.S. Gorelik. Electromagnetic waves and optics. Textbook. - M.: Publishing house of Moscow State Technical University opkaldt efter N.E. Bauman , 2006, s. 155-156). Den omvendte elektromagnetiske bølge, der vender tilbage fra reflektoren, interfererer med den direkte bølge. Som følge af interferens dannes en stående bølge, hvor signalamplituden ændrer sig afhængig af målepunktets koordinater. Især ved antinoderne af en stående bølge fordobles signalamplituden. Hvis det aktive element af antennen, for eksempel en halvbølgesløjfevibrator, er placeret ved antinoden af en stående bølge, så vil den elektromagnetiske feltstyrke på dette punkt være 2 gange højere end feltets amplitudeværdi i den direkte bølge (se bogen: Landsberg G.S. Optics. M.: Fizmatlit , 2003), som fordobler signalet ved antenneudgangen. De øvre og nedre reflektorer forårsager også fænomenet direkte og reflekteret bølgeinterferens, hvilket yderligere øger signalspændingen i antennen. I en stående bølge skal de direkte og reflekterede bølger have samme amplitudeværdier. For at gøre dette skal skærmreflektansen være lig med enhed. Kobberfolie af glasfiber, der anvendes til reflektoren i antennen, der implementerer metoden ifølge opfindelsen til at modtage radiobølger, har en reflektionskoefficient på 0,65. For at øge refleksionskoefficienten blev overfladen af det folierede glasfiberlaminat forsølvet. Refleksionskoefficienten for sølv er 0,95, hvilket øgede signalet ved antenneudgangen med 3 dB. Sølvbelægning bruges meget ofte til fremstilling af mikrobølgeledere og mikrobølgeresonatorer, da det reducerer tab i bølgelederbanen og øger resonatorernes kvalitetsfaktor. Som et resultat af de trufne foranstaltninger opstår følgende: en stigning i signalamplituden i antennen på grund af placeringen af vibratoren ved den stående bølges antinode; forøgelse af spændingen af det nyttige signal i antennen på grund af koncentrationen af den elektriske feltstyrke på den skarpe kant af bladet af sløjfens halvbølgevibrator; en stigning i spænding på grund af resonansfænomener i vibratoren indstillet til en frekvens på 530 MHz; forøgelse af amplituden af en stående bølge på grund af forsølvning af reflektoren. Resultaterne af eksperimentet viste, at signalet ved udgangen af en antenne med en båndvibrator, som implementerer den foreslåede metode til at modtage radiobølger, er tre gange (10 dB) større end signalet ved udgangen af en halvbølgetråd vibrator, også indstillet til en frekvens på 530 MHz. Målingerne blev udført med et V3-36 højfrekvent mikrobølge millivoltmeter og en G4-129 mikrobølgegenerator. Det opnåede resultat giver os mulighed for at angive den utvivlsomme fordel ved en antenne med en vibrator lavet af en dobbeltkantet tynd metalstrimmel. En sådan antenne har tre gange højere reel følsomhed.

Emission og modtagelse af radiobølger

Emission af radiobølger. Kilden til primære elektriske svingninger kan være vekselstrømme, der strømmer gennem ledere, vekselfelter osv. Vekselstrømme med relativt lav frekvens (f.eks. industriel frekvens 50) Hz) er uegnede til stråling: ved disse frekvenser er det umuligt at skabe en effektiv emitter. Faktisk, hvis der forekommer elektriske svingninger, for eksempel i en induktansspole, hvis dimensioner er små sammenlignet med bølgelængden λ svarende til oscillationsfrekvensen af strømmen, der flyder i spolen, for hver sektion med en retning af strømmen, f. eksempel EN (ris. 1 ), er der et andet afsnit I, fjernt fra EN til en afstand mindre end λ/2, hvor strømmens retning på samme tidspunkt er modsat. I store afstande fra spolen, bølger udsendt af elementer EN Og I, svække hinanden. Da spolen består af sådanne par af modfaseelementer, udstråler den, og derfor hele spolen, dårligt. Et oscillerende kredsløb, der indeholder en induktor og en kondensator, udsender også dårligt. På hvert tidspunkt af tiden er ladningerne på kondensatorpladerne lige store, modsatte i fortegn og adskilt fra hinanden i en afstand væsentligt mindre end λ/2.

Af ovenstående følger det, at for effektiv stråling af radiobølger kræves et åbent (åbent) kredsløb, hvor der enten ikke er sektioner med modfasesvingninger af strøm eller ladning, eller afstanden mellem dem ikke er lille sammenlignet med λ/2 . Hvis dimensionerne af kredsløbet er sådan, at udbredelsestidspunktet for ændringer i det elektromagnetiske felt i det er sammenligneligt med perioden med svingninger af strømmen eller ladningen (hastigheden af udbredelse af forstyrrelser er begrænset), så er betingelserne for kvasi- stationær tilstand er ikke opfyldt (se Kvasistationær proces), og en del af kildeenergien går tabt i form af elektromagnetiske bølger. Til praktiske formål anvendes normalt elektromagnetiske bølger med λ km.

Udsendere. Den enkleste radiobølgesender består af to segmenter EN Og I lige leder forbundet til enderne OO" to-leder linje, langs hvilken en elektromagnetisk bølge forplanter sig ( ris. 2 ). I segmenter EN Og I Under påvirkning af bølgens elektriske felt sker bevægelsen af ladninger, det vil sige vekselstrøm. På hvert tidspunkt af tiden oplades på punkter OM Og OM" lige store og modsatte i fortegn, altså segmenter EN Og I danne en elektrisk dipol, som bestemmer konfigurationen af det elektriske felt, den skaber. På den anden side strømme i segmenter EN Og I falder sammen i retning, derfor er de magnetiske feltlinjer, som i tilfældet med en retlinet strøm, cirkler ( ris. 3 ). I rummet omkring dipolen opstår således et elektromagnetisk felt, hvori felterne E Og N vinkelret på hinanden. Det elektromagnetiske felt forplanter sig i rummet og bevæger sig væk fra dipolen ( ris. 4 ).

Et vekslende elektromagnetisk felt opstår i hele rummet omkring dipolen og spredes fra dipolen i alle retninger. Dipolen udsender en sfærisk bølge, som i stor afstand fra dipolen kan betragtes som flad (lokalt flad). Imidlertid er amplituderne af de elektriske og magnetiske feltstyrker skabt af dipolen, og derfor den udsendte energi, forskellige i forskellige retninger. De er maksimale i retninger vinkelret på dipolen og falder gradvist til nul langs dipolaksen. I denne retning udstråler dipolen praktisk talt ikke. Fordelingen af udstrålet effekt i forskellige retninger er karakteriseret ved et strålingsmønster. Det rumlige strålingsmønster af dipolen har form af en toroid ( ris. 5 ).

Den samlede effekt, der udsendes af en dipol, afhænger af effekttilførslen og forholdet mellem dens længde l og bølgelængde λ. For at en dipol kan udstråle en betydelig del af den strøm, der leveres til den, bør dens længde ikke være lille sammenlignet med λ/2. Relateret til dette er vanskeligheden ved at udsende meget lange bølger. Hvis l Hvis det er valgt rigtigt, og energitabene til opvarmning af dipollederne og ledningen er små, så bruges den overvejende del af kildeeffekten på stråling. Således er dipolen en forbruger af kildestrøm, svarende til en aktiv modstand forbundet til enden af linjen, der forbruger den tilførte strøm. I denne forstand har dipolen strålingsmodstand R og lig med den aktive modstand, hvori den samme effekt ville blive forbrugt.

Dipolen beskrevet ovenfor er den enkleste sendeantenne og kaldes en symmetrisk vibrator. En sådan vibrator blev første gang brugt af G. Hertz (1888) i eksperimenter, der opdagede eksistensen af radiobølger. Elektriske svingninger i en Hertz-dipol (se Hertz-vibrator) blev exciteret ved hjælp af en gnistutladning - den eneste kilde til elektriske svingninger kendt på det tidspunkt. Sammen med en symmetrisk vibrator bruges en asymmetrisk vibrator (til længere bølger) ( ris. 6 ), exciteret ved bunden og udstråler ensartet i det vandrette plan.

Sammen med trådantenner (trådvibratorer) findes der andre typer radiobølgesender. Magnetiske antenner er meget udbredt. Det er en stang lavet af magnetisk materiale med høj magnetisk permeabilitet μ , hvorpå en spole af tynd tråd er viklet. De magnetiske feltlinjer på den magnetiske antenne gentager mønsteret af de elektriske feltlinjer i tråddipolen ( ris. 7 , a, b), hvilket skyldes dualitetsprincippet.

Hvis der er en radiobølgeleder eller en hulrumsresonator i væggene (se volumenresonator) , hvor vekseloverfladestrømme med ultrahøje frekvenser flyder, skærer en spalte, så den krydser strømmens retning, så bliver strømfordelingen kraftigt forvrænget, afskærmningen brudt, og elektromagnetisk energi udstråles udad. Feltfordelingen af en slot-emitter svarer til feltfordelingen af en magnetisk antenne. Derfor kaldes en slot-emitter en magnetisk dipol ( ris. 7 , c, d ; se også Slotantenne). Strålingsmønsteret for magnet- og slot-emitterne såvel som den elektriske dipol er en toroid.

Mere retningsbestemt stråling skabes af antenner, der består af flere lednings- eller slot-emittere. Dette er resultatet af interferens fra radiobølger (se radiobølgeinterferens), der udsendes af individuelle sendere. Hvis strømmene, der føder dem, har samme amplitude og fase (ensartet in-fase excitation), så i en tilstrækkelig lang afstand i retningen vinkelret på den udstrålende overflade, har bølgerne fra individuelle emittere de samme faser og giver maksimal stråling. Feltet skabt i andre retninger er meget svagere. En lille stigning i feltstyrken forekommer i de retninger, hvor faseforskellen af bølgerne, der kommer fra de yderste emittere, er lig med ( n+ 1) π/2, hvor n- heltal. I dette tilfælde indeholder sektionen af strålingsmønsteret ved flyet et antal lapper ( ris. 8 ), hvoraf den største kaldes den vigtigste og svarer til den maksimale stråling, resten kaldes side.

Moderne antenneteknologi bruger antennearrays, der indeholder op til 1000 emittere. Overfladen, hvorpå de er placeret, kaldes antennens åbning (åbning) og kan have enhver form. Ved at indstille forskellige fordelinger af amplituder og faser af strømme på aperturen kan enhver form for strålingsmønsteret opnås. Common-mode excitation af emittere, der danner et fladt array, gør det muligt at opnå meget høj strålingsdirektivitet, og ændring af strømfordelingen over aperturen gør det muligt at ændre formen på retningsmønsteret.

For at øge retningsvirkningen af stråling, som er karakteriseret ved bredden af hovedlappen, er det nødvendigt at øge antennens størrelse. Sammenhæng mellem hovedlapbredden θ , største blændestørrelse L og udsendt bølgelængde λ bestemmes af formlerne:

Hvis en radiobølgeleder gradvist udvider sig mod den åbne ende i form af en tragt eller et horn ( ris. 10 ), så forvandles bølgen i bølgelederen gradvist til en bølge, der er karakteristisk for frit rum. En sådan hornantenne producerer retningsbestemt stråling.

Meget høj strålingsdirektivitet (op til brøkdele af en grad ved decimeter og kortere bølger) opnås ved brug af spejl- og linseantenner. I dem, takket være processerne med refleksion og brydning, omdannes den sfæriske bølgefront, der udsendes af en elektrisk eller magnetisk dipol eller en hornemitter, til en flad. Men på grund af diffraktion (Se Diffraktion) af bølger, har mønsteret i dette tilfælde også en hoved- og sidelapper. En reflektorantenne (Se Reflektorantenner) er et metalspejl 1 , oftere i form af en del af en rotationsparaboloid eller en parabolsk cylinder, i hvis fokus er den primære emitter ( ris. elleve ). Linser til radiobølger er tredimensionelle gitter af metalkugler, stænger mv. (kunstig dielektrik) eller et sæt rektangulære bølgeledere.

Den energi, som en dipol udvinder fra en elektromagnetisk bølge, afhænger af forholdet mellem dens længde l, bølgelængde λ og vinkel ψ mellem retningen v bølgeankomst og dipol. Vinklen φ mellem retningen af den elektriske bølgevektor og dipolen ( ris. 12 ). De bedste modtageforhold er ved φ = 0. Ved φ = π/2 er den elektriske strøm i dipolen ikke exciteret, dvs. der er ingen modtagelse. Hvis 0 Ecos φ) 2 . Med andre ord er denne energi forbundet med polariseringen af den indkommende bølge. Af ovenstående følger det, at i tilfælde af udsendende og modtagende dipoler er det for de bedste modtageforhold nødvendigt, at begge dipoler ligger i samme plan, og at den modtagende dipol er vinkelret på bølgeudbredelsesretningen. I dette tilfælde udtrækker den modtagende dipol fra den indkommende bølge lige så meget energi, som denne bølge bærer med sig, og passerer gennem et tværsnit i form af en firkant med en side lig med

Antennestøj. Modtagerantennen er altid under forhold, hvor den ud over det nyttige signal er påvirket af støj. Luften og jordens overflade nær antennen, der absorberer energi i overensstemmelse med Rayleigh-Jeans lov om stråling (se Rayleigh-Jeans lov om stråling) skaber elektromagnetisk stråling. Støj opstår også på grund af Joule-tab i forsyningsenhedernes ledere og dielektrikum.

Al støj af ekstern oprindelse beskrives af den såkaldte støj- eller antennetemperatur T EN. Strøm R w ekstern støj ved antenneindgangen i frekvensbåndet Δν på modtageren er lig med:

R w =k T EN Δν

(k- Boltzmann konstant). Ved frekvenser under 30 MHz Atmosfærisk støj spiller en fremherskende rolle. I området for centimeterbølger ydes det afgørende bidrag af stråling fra jordens overflade, som normalt kommer ind i antennen på grund af sidesløjferne i dens strålingsmønster. Derfor, for svagt retningsbestemte antenner, er antennetemperaturen på grund af Jorden høj; det kan nå 140-250 K; for stærkt retningsbestemte antenner er det normalt 50-80 K, og med særlige foranstaltninger kan det reduceres til 15-20 K.

Lit.: Khaikin S.E., Electromagnetic waves, 2. udgave, M. - L., 1964; Goldshtein L. D., Zernov N. V., Elektromagnetiske felter og bølger, M., 1956; Rameau S., Winnery J., Marker og bølger i moderne radioteknik, trans. fra engelsk, 2. udg., M. - L., 1950.

Redigeret af L. D. Bakhrazh.

Ris. 4. Øjeblikkelige billeder af elektriske feltlinjer nær dipolen i tidsintervaller adskilt fra hinanden med 1/8 af perioden T for strømsvingninger.

Store sovjetiske encyklopædi. - M.: Sovjetisk Encyklopædi. 1969-1978 .

Se, hvad "Emission og modtagelse af radiobølger" er i andre ordbøger:

Elektromagnetisk, processen med dannelse af et frit elektromagnetisk felt. (Udtrykket "I." bruges også til at betegne det frieste, dvs. udstrålede, elektromagnetiske felt, se Maxwells ligninger, Elektromagnetiske bølger.) ... ...

Elektromagnetisk, klassisk elektrodynamik uddannelse el. mag. bølger af accelereret bevægelig ladning. h tsami (eller vekselstrømme); i kvante teori om fødslen af fotoner, når tilstanden af et kvante ændres. systemer; udtrykket "jeg". bruges også til... Fysisk encyklopædi

STRÅLING- STRÅLING, eller stråling, i generel forstand, processen med at overføre energi fra en krop til det omgivende rum. Typisk anvendes udtrykket stråling til elementære atomare eller molekylære processer, der skelner mellem to typer stråling: corpuskulær og lys. Overførsel... Great Medical Encyclopedia

STRÅLING- forplantning i rummet (se) af enhver art eller strømme af partikler, såvel som processen med bølger eller strømning af partikler af enhver fysisk natur. system; (1) I. elektromagnetisk: a) synlig optisk I., direkte opfattet af øjet... ... Big Polytechnic Encyclopedia

Enheder til konvertering af signaler af elektromagnetisk stråling (Se Stråling) (i området fra røntgenstråler med en bølgelængde λ = 10 9 cm til radiobølger med λ = 10 1 cm, om modtagere af elektromagnetisk stråling med en kortere bølgelængde ... . .. Store sovjetiske encyklopædi

Radiobølger og deres udbredelse er et ubestrideligt mysterium for nybegyndere. Her kan du stifte bekendtskab med det grundlæggende i teorien om radiobølgeudbredelse. Denne artikel er beregnet til at gøre begyndere bekendt med ether, såvel som for dem, der har en idé om det.

Den vigtigste introduktion, som ofte glemmes at blive nævnt før man introducerer teorien om radiobølgeudbredelse, er, at radiobølger forplanter sig rundt på vores planet på grund af refleksion fra ionosfæren og fra jorden, da en lysstråle reflekteres fra gennemskinnelige spejle.

Funktioner af mellembølgeudbredelse og krydsmodulation

Mellembølger omfatter radiobølger med en længde på 1000 til 100 m (frekvenser 0,3 - 3,0 MHz). Mellembølger bruges hovedsageligt til udsendelser. De er også vugge for indenlandsk radiopirateri. De kan spredes ad terrestriske og ionosfæriske ruter. Mellembølger oplever betydelig absorption i jordens halvledende overflade. Udbredelsen af jordbølgen 1 (se fig. 1) er begrænset til en afstand på 500-700 km. Over lange afstande forplantes radiobølger 2 og 3 af en ionosfærisk (rumlig) bølge.

Om natten forplanter mellembølger sig ved refleksion fra ionosfærens E-lag (se fig. 2), hvis elektrontæthed er tilstrækkelig til dette. I dagtimerne, langs bølgeudbredelsen, er lag D placeret, som ekstremt kraftigt absorberer mellembølger. Ved normale sendereffekter er den elektriske feltstyrke derfor utilstrækkelig til modtagelse, og i dagtimerne sker udbredelsen af mellembølger næsten udelukkende af jordbølgen over relativt korte afstande, omkring 1000 km. I mellembølgeområdet oplever længere bølger mindre absorption, og den ionosfæriske bølges elektriske feltstyrke er større ved længere bølgelængder. Absorptionen stiger i sommermånederne og falder om vinteren. Ionosfæriske forstyrrelser påvirker ikke udbredelsen af mellembølger, da E-laget er let forstyrret under ionosfæriske magnetiske storme.

Om natten, se fig. 1, i en vis afstand fra senderen (punkt B) er ankomsten af rumbølger 3 og overfladebølger 1 mulig på samme tid, og rumbølgens vejlængde ændres med ændringer i ionosfærens elektrontæthed. Ændring af faseforskellen af disse bølger fører til fluktuationer i den elektriske feltstyrke, kaldet nærfeltfading.

Bølger 2 og 3 kan ankomme i betydelig afstand fra senderen (punkt C) gennem en eller to refleksioner fra ionosfæren. Ændring af faseforskellen for disse to bølger resulterer også i en fluktuation i den elektriske feltstyrke, kaldet langfeltfading.

For at bekæmpe fading ved den sendeende ende af kommunikationslinjen bruges antenner, hvor det maksimale strålingsmønster "presses" til jordens overflade, disse inkluderer den enkleste "Inverted-V" antenne, som ofte bruges af radioamatører. Med et sådant strålingsmønster bevæger nær-fading-zonen sig væk fra senderen, og på store afstande viser sig feltet af bølgen, der ankommer gennem to refleksioner, at være svækket.

Desværre ved ikke alle nybegyndere, der opererer i frekvensområdet 1600-3000 kHz, at et svagt signal fra en laveffektsender er modtagelig for ionosfærisk forvrængning. Signalet fra kraftigere radiosendere er mindre modtageligt for ionosfærisk forvrængning. På grund af den ikke-lineære ionisering af ionosfæren, moduleres det svage signal af den modulerende spænding af signaler fra kraftige stationer. Dette fænomen kaldes krydsmodulation. Modulationskoefficientens dybde når 5-8%. Fra modtagesiden får man indtrykket af en dårligt lavet sender, med alverdens brummen og hvæsen, dette er især mærkbart i AM-modulationstilstanden.

På grund af krydsmodulation trænger intens lyninterferens ofte ind i modtageren, som ikke kan filtreres fra - lynudladningen modulerer det modtagne signal. Det er af denne grund, at radiostationer begyndte at bruge enkeltsidebåndssendere til to-vejs radiokommunikation og begyndte at operere oftere ved højere frekvenser. Udenlandske radiostationer af CB-stationer øger deres effekt og komprimerer de modulerende signaler, og til uforvrænget drift i luften bruger de inverterede frekvenser.

Fænomenerne demodulation og krydsmodulation i ionosfæren observeres kun i mellembølgeområdet (MV). I det korte bølgelængde (SW) område er hastigheden af en elektron under påvirkning af et elektrisk felt ubetydelig sammenlignet med dens termiske hastighed, og tilstedeværelsen af feltet ændrer ikke antallet af kollisioner af elektronen med tunge partikler.

De mest gunstige forhold i frekvensområdet fra 1500 til 3000 kHz for langdistancekommunikation er vinternætter og perioder med minimal solaktivitet. Især langdistancekommunikation, mere end 10.000 km, er normalt mulig under solnedgang og solopgang. I dagtimerne er kommunikation mulig over en afstand på op til 300 km. Gratis FM-radiosendere kan kun misunde så store radioruter.

Om sommeren er dette område ofte påvirket af interferens fra statiske udladninger i atmosfæren.

Funktioner ved kortbølgeudbredelse og deres egenskaber

Kortbølger omfatter radiobølger med en længde på 100 til 10 m (frekvenser 3-30 MHz). Fordelen ved at arbejde ved korte bølgelængder frem for at arbejde ved længere bølgelængder er, at retningsantenner let kan konstrueres i dette område. Korte bølger kan forplante sig som terrestriske bølger, i den lavfrekvente del af området og som ionosfæriske.

Når frekvensen stiger, øges absorptionen af bølger i Jordens halvledende overflade meget. Derfor breder kortbølgede terrestriske bølger sig med normale sendereffekter over afstande, der ikke overstiger flere titusinder af kilometer. På havets overflade øges denne afstand betydeligt.

Med en ionosfærisk bølge kan korte bølger forplante sig over mange tusinde kilometer, og det kræver ikke højeffektsendere. Derfor bruges korte bølger på nuværende tidspunkt hovedsageligt til kommunikation og udsendelse over lange afstande.

Korte bølger forplanter sig over lange afstande ved refleksion fra ionosfæren og jordens overflade. Denne formeringsmetode kaldes hop, se fig. 2 og er karakteriseret ved hopdistancen, antallet af hop, udgangs- og ankomstvinkler, maksimal brugbar frekvens (MUF) og mindst brugbar frekvens (LOF).

Hvis ionosfæren er homogen i vandret retning, så er bølgebanen symmetrisk. Typisk forekommer stråling i et bestemt vinklerområde, da bredden af strålingsmønsteret for kortbølgeantenner i det lodrette plan er 10-15°. Den mindste springafstand, for hvilken refleksionsbetingelsen er opfyldt, kaldes afstanden til den stille zone (ZZ). For at reflektere en bølge er det nødvendigt, at driftsfrekvensen ikke er højere end værdien af den maksimale anvendelige frekvens (MUF), som er den øvre grænse for driftsområdet for en given afstand. Bølge 4.

Brugen af antiluftfartøjsstrålingsantenner, som en af metoderne til at reducere stilhedszonen, er begrænset af konceptet med den maksimale anvendelige frekvens (MUF), under hensyntagen til dens reduktion med 15-20% af MUF. Luftværnsstrålingsantenner bruges til udsendelse i den nære zone ved hjælp af metoden med enkelthop-reflektion fra ionosfæren.

Den anden betingelse begrænser driftsområdet nedefra: jo lavere driftsfrekvens (inden for kortbølgeområdet), jo stærkere er absorptionen af bølgen i ionosfæren. Den laveste anvendelige frekvens (LOF) bestemmes ud fra den betingelse, at med en sendereffekt på 1 kW skal signalets elektriske feltstyrke overstige støjniveauet, og derfor bør signalabsorptionen i de ionosfæriske lag ikke være mere end tilladt. . Ionosfærens elektrontæthed ændrer sig i løbet af dagen, hele året og i perioden med solaktivitet. Det betyder, at grænserne for driftsområdet også ændrer sig, hvilket medfører behov for at ændre driftsbølgelængden i løbet af dagen.

Frekvensområde 1,5–3 MHz, er nataktiv. Det er klart, at for at kunne gennemføre en radiokommunikationssession skal du vælge den rigtige frekvens (bølgelængde) hver gang, og dette komplicerer også stationens design, men for en sand kender af langdistancekommunikation er dette ikke en vanskelighed, det er en del af hobbyen. Lad os evaluere HF-området efter område.

Frekvensområde 5-8 MHz, ligner på mange måder 3 MHz rækkevidden, og i modsætning til den kan du her i dagtimerne kommunikere op til 2000 km der er ingen stilhed zone (ZZ) og er flere titusinder af kilometer. Om natten er kommunikation mulig over enhver afstand, med undtagelse af ZM, som stiger til flere hundrede kilometer. I de skiftende timer på dagen (solnedgang/solopgang) er de mest bekvemme til langdistancekommunikation. Atmosfærisk interferens er mindre udtalt end i området 1,5-3 MHz.

I frekvensområdet 10-15 MHz I perioder med solaktivitet er kommunikation i dagtimerne mulig med næsten ethvert punkt på kloden. Om sommeren er varigheden af radiokommunikation i dette frekvensområde døgnet rundt med undtagelse af visse dage. Stilhedszonen om natten har afstande på 1500-2000 km, og derfor er kun langdistancekommunikation mulig. I dagtimerne falder de til 400-1000 km.

Frekvensområde 27-30 MHz Kun egnet til kommunikation i dagtimerne. Dette er det mest lunefulde område. Den åbner normalt i et par timer, dage eller uger især når årstiderne skifter, dvs. i efteråret og foråret. Stilhedszonen (ZZ) når 2000-2500 km. Dette fænomen relaterer sig til emnet MUF, her skal vinklen på den reflekterede bølge være lille i forhold til ionosfæren, ellers har den en stor dæmpning i ionosfæren, eller går simpelthen ud i det ydre rum. Små strålingsvinkler svarer til store spring og dermed store stilhedszoner. I perioder med maksimal solaktivitet er kommunikation mulig om natten.

Ud over de anførte modeller er tilfælde af unormal udbredelse af radiobølger mulige. Uregelmæssig udbredelse kan forekomme, når et sporadisk lag opstår på en bølges vej, hvorfra kortere bølger, op til meterbølger, kan reflekteres. Dette fænomen kan observeres i praksis ved passage af fjerntliggende tv-stationer og FM-radiostationer. Radiosignalets MUF i disse timer når 60-100 MHz under solaktivitetsår.

I VHF FM-båndet, Med undtagelse af sjældne tilfælde af unormal radiobølgeudbredelse, skyldes udbredelsen strengt taget den såkaldte "synslinje". Udbredelsen af radiobølger inden for sigtelinjen taler for sig selv og bestemmes af højden på sende- og modtageantennerne. Det er klart, at vi i byområder ikke kan tale om nogen visuel eller direkte synlighed, men radiobølger passerer gennem byområder med en vis dæmpning. Jo højere frekvens, jo højere dæmpning i byområder. Frekvensområdet 88-108 MHz er også underlagt en vis dæmpning under byforhold.

Fading af HF-radiosignaler

Modtagelse af korte radiobølger ledsages altid af en måling af niveauet af det modtagne signal, og denne ændring er tilfældig og midlertidig. Dette fænomen kaldes fading af et radiosignal. Der er hurtige og langsomme signaltonninger i luften. Dybden af fading kan nå op til adskillige snese af decibel.

Hovedårsagen til hurtig signalfading er multipath-udbredelsen af radiobølger. I dette tilfælde er årsagen til fading ankomsten til modtagepunktet af to stråler, der forplanter sig gennem en og to refleksioner fra ionosfæren, bølge 1 og bølge 3, se fig. 2.

Da strålerne rejser forskellige veje, er deres ankomstfaser ikke de samme. Ændringer i elektrontæthed, der kontinuerligt forekommer i ionosfæren, fører til en ændring i vejlængden for hver af strålerne og følgelig til en ændring i faseforskellen mellem strålerne. For at ændre bølgefasen med 180° er det nok, at vejlængden kun ændres med ½. Det skal huskes, at når stråler fra et signal ankommer til modtagepunktet med samme styrke og med en faseforskel på 180°, trækkes de fuldstændigt fra i henhold til vektorloven, og styrken af det indkommende signal i dette tilfælde kan være lig nul. Sådanne små ændringer i vejlængde kan forekomme kontinuerligt, så udsving i elektrisk feltstyrke i det korte bølgelængdeområde er hyppige og dybtgående. Deres observationsinterval på 3-7 minutter kan være ved lave frekvenser i HF-området og op til 0,5 sekunder ved frekvenser tættere på 30 MHz.

Desuden er signalfading forårsaget af spredning af radiobølger på uregelmæssigheder i ionosfæren og interferens af spredte bølger.

Ud over interferensfading forekommer der ved korte bølger polarisationsfading. Årsagen til polarisationsfading er rotationen af bølgens polariseringsplan i forhold til den modtagne antenne. Dette sker, når bølgen forplanter sig i retning af Jordens magnetfeltlinjer, og med en ændring i ionosfærens elektrontæthed. Hvis sende- og modtageantennerne er vandrette vibratorer, vil den vandret udsendte polariserede bølge gennemgå en rotation af polarisationsplanet efter at have passeret gennem ionosfæren. Dette fører til udsving i f.eks. d.s., induceret i antennen, som har en ekstra dæmpning på op til 10 dB.

I praksis virker alle de ovennævnte årsager til signalfading som regel på en kompleks måde og overholder den beskrevne Rayleigh-distributionslov.

Udover hurtig fading observeres langsom fading, som observeres med en periode på 40-60 minutter i den lavfrekvente del af HF-området. Årsagen til disse fadinger er en ændring i absorptionen af radiobølger i ionosfæren. Fordelingen af signalamplitudeindhylningen under langsom fading adlyder en normalt logaritmisk lov med et fald i signalet til 8-12 dB.

For at bekæmpe fading bruges metoden til modtagelse med diversitetsantenner på korte bølger. Faktum er, at stigningen og faldet i elektrisk feltstyrke ikke forekommer samtidigt, selv over et relativt lille område af jordens overflade. I praksis med kortbølgekommunikation bruges der normalt to antenner, adskilt af flere bølgelængder, og signalerne kombineres efter detektion. Polarisationsdiversitet af antenner er effektiv, dvs. samtidig modtagelse på lodrette og vandrette antenner med efterfølgende tilføjelse af signaler efter detektion.

Jeg vil gerne bemærke, at disse modforanstaltninger kun er effektive til at eliminere hurtig fading, langsomme signalændringer elimineres ikke, da dette er forbundet med en ændring i absorptionen af radiobølger i ionosfæren.

I amatørradiopraksis bruges diversitetsantennemetoden ret sjældent på grund af de høje konstruktionsomkostninger og manglen på behov for at modtage tilstrækkelig pålidelig information. Dette skyldes det faktum, at amatører ofte bruger resonans- og rækkeviddeantenner, hvis antal i hans husstand er omkring 2-3 stykker. Brugen af diversitetsmodtagelse kræver mindst en fordobling af antenneflåden.

En anden ting er, når en amatør bor i et landområde og har tilstrækkeligt areal til at rumme en anti-fading struktur, kan han blot bruge to bredbåndsvibratorer til dette, der dækker alle eller næsten alle de nødvendige områder. Den ene vibrator skal være lodret, den anden vandret. For at gøre dette er det slet ikke nødvendigt at have flere master. Det er nok at placere dem på en mast, så de er orienteret i forhold til hinanden i en vinkel på 90°. De to antenner i dette tilfælde vil ligne den velkendte "Inverted-V" antenne.

Beregning af radiosignalets dækningsradius i VHF/FM-båndene

Målerfrekvenser bevæger sig inden for synsvidde. Rækkevidden af radiobølgeudbredelse inden for synsvidde, uden at tage hensyn til senderens strålingseffekt og andre naturfænomener, der reducerer kommunikationseffektiviteten, ser sådan ud:

r = 3,57 (√h1 + √h2), km,

Lad os beregne sigtelinjeradier når du installerer modtageantennen i forskellige højder, hvor h1 er en parameter, h2 = 1,5 m Lad os opsummere dem i tabel 1.

tabel 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

Denne formel tager ikke højde for signaldæmpning og sendereffekt, den taler kun om muligheden for sigtelinje under hensyntagen til en perfekt rund jord.

Lad os lave en beregning det nødvendige radiosignalniveau sammen med modtagelse for en bølgelængde på 3 m.

Da der på stierne mellem sendestationen og et bevægende objekt altid er sådanne fænomener som refleksioner, spredning, absorption af radiosignaler fra forskellige objekter osv., bør der foretages korrektioner til niveauet af signaldæmpning, som blev foreslået af japanerne videnskabsmand Okumura. Standardafvigelsen for dette område med byområder vil være 3 dB, og med en kommunikationssandsynlighed på 99 % vil vi indføre en multiplikator på 2, hvilket vil svare til en total korrektion P i radiosignalniveauet på
P = 3 × 2 = 6 dB.

Modtagernes følsomhed bestemmes af forholdet mellem det nyttige signal over støj på 12 dB, dvs. 4 gange. Dette forhold er ikke acceptabelt for højkvalitets radioudsendelser, så vi vil indføre en yderligere korrektion på yderligere 12-20 dB og acceptere 14 dB.

I alt vil den overordnede korrektion i niveauet af det modtagne signal, under hensyntagen til dets dæmpning langs stien og den modtagende enheds specifikationer, være: 6 + 16 20 dB (10 gange). Derefter med en modtagerfølsomhed på 1,5 μV. ved receptionspladsen et felt med en styrke på 15 µV/m.

Lad os beregne ved hjælp af Vvedenskys formel rækkevidde ved en given feltstyrke på 15 µV/m, under hensyntagen til sendereffekt, modtagerfølsomhed og byområder:

hvor r er km; P - kW; G - dB (=1); h - m; X - m; E - mV.

Denne beregning tager ikke højde for forstærkningen af modtagerantennen, samt dæmpning i feeder og båndpasfilter.

Svar: Med en effekt på 10 W, strålingshøjde h1 = 27 meter og h2 = 1,5 m vil virkelig højkvalitets radiomodtagelse med en radius i byområder være 2,5-2,6 km. Hvis vi tager i betragtning, at modtagelse af radiosignaler fra din radiosender vil blive udført på mellem- og høje etager i beboelsesbygninger, så vil denne rækkevidde øges med cirka 2-3 gange. Hvis du modtager radiosignaler ved hjælp af en fjernantenne, vil rækkevidden være snesevis af kilometer.

73! UA9LBG & Radio-Vector-Tyumen

N. - Hvordan modtages radiobølger?

L. - Ved hjælp af en modtageantenne, som er en leder placeret i bølgeudbredelsens vej, der passerer gennem hvilken elektromagnetiske bølger inducerer højfrekvente strømme i den. Disse bølger passerer gennem dielektrikum uden nogen form for dæmpning. Men ved at inducere strømme i ledere, mister de en del af deres energi.

N. - Du skræmmer mig, Lyuboznaykin. Den menneskelige krop er en leder af elektricitet. Derfor inducerer bølgerne fra alle radio- og tv-sendere strømme i min krop?

L. - Uden tvivl, men rolig: disse strømme er ekstremt små og kan på ingen måde forårsage dig skade.

N. - Så meget desto bedre. Hvordan opfører de sig i radio- eller tv-modtagere?

L. - Her er de af dem inducerede strømme også meget små. Antennen er direkte eller induktivt forbundet til modtagerens indgangsoscillerende kredsløb. Hvis kredsløbet er indstillet til frekvensen af de modtagne bølger, opstår der på grund af fænomenet resonans en relativt stor strøm i kredsløbet.

Antennen skal jordes gennem spolen. Hvis det oscillerende kredsløb er forbundet direkte mellem antennen og jorden (fig. 44), og hvis det er præcist indstillet til frekvensen af de modtagne bølger, er dets modstand stor, så spændingsfaldet skabt af antennestrømmene ved terminalerne på kredsløbet er relativt højt.

Tilpasning og selektivitet

N. - Hvad sker der, hvis kredsløbet ikke er i resonans med de modtagne bølger?

L. - I dette tilfælde vil dens samlede modstand blive mindre, hvilket vil føre til et fald i spændingen ved kredsløbsterminalerne.

Ris. 44. I modtageren kan afstemningskredsløbet være forbundet direkte mellem antennen og jord (a) eller induktivt koblet til spolen, gennem hvilken strømme induceret af de modtagne signaler flyder (b).

Ris. 45. Kurver, der viser, hvordan spændingen U på oscillerende kredsløb ændrer sig afhængigt af signalets frekvens. Kurverne er præsenteret for et kredsløb med lav (a) og høj (b) selektivitet.

Ris. 46. Skift fra et viljeområde til et andet udføres ved at skifte spoler (a) eller dele af vindingerne af en spole (b).

Dette er selve det fænomen, der ligger til grund for kredsløbets selektivitet, dets evne til bedst at acceptere de frekvenser, som det er indstillet til.

Ved at måle spændingen over sløjfeterminalerne ved forskellige frekvenser kan der tegnes en selektivitetskurve, der viser hvordan spændingen varierer med frekvensen (Figur 45).

N. - Hvad bestemmer formen på denne kurve? Jeg mener først og fremmest dens større eller mindre bredde, da jo smallere denne kurve er, jo højere, efter min mening, er konturens selektivitet.

L. - Og du tager ikke fejl. Selektivitet bestemmes af kredsløbsdæmpningskoefficienten. Denne koefficient afhænger hovedsageligt af spolens aktive modstand, som introducerer tab i kredsløbet.

N. - Hvordan er det muligt at indstille oscillerende kredsløb i resonans med den transmissionsfrekvens, som de ønsker at modtage?

L. - For at gøre dette skal du indstille kredsløbet til den nødvendige frekvens ved tilsvarende at ændre spolens induktans eller kondensatorens kapacitans. Hvis du bruger en variabel kondensator, kan justeringen foretages uden problemer. Hvad angår induktans, ændres det normalt i hop for at skifte rækkevidde, for eksempel at skifte fra lange bølger til korte. Til dette formål bruges en kontakt, der giver dig mulighed for at udskifte en spole med en anden eller bruge en del af vindingerne på en spole, der har specielle haner (fig. 46). Tidligere blev der også brugt spoler med en jævn ændring i induktans. Et eksempel på en sådan anordning er et variometer, der består af to spoler forbundet i serie, hvoraf den ene kunne drejes inde i den anden og dermed ændre deres indbyrdes induktans.

N. - Okay. Jeg forstod, hvordan bølger udsendes, og hvordan de modtages. Men hvordan laves bølger til at transmittere lyd eller billede? Og hvordan formår du at gengive dem, når du modtager dem?

L. - Alt dette vil kræve en masse forklaring. Min onkel og jeg selv kan nu gå videre til disse spørgsmål, da du har forstået det grundlæggende i almindelig elektroteknik.