Сети и телекоммуникации

171

помехоустойчивость оценивается тем максимальным значением уровня помехи в антенне, при котором еще обеспечивается прием радиосигналов.

Радиоприемные устройства можно классифицировать по различным при-

знакам. Например, по схемным решениям радиоприемные устройства могут быть прямого усиления и супергетеродинные. По назначению можно выделить радиовещательные (обычно называемые как радиоприемники или приемники),

телевизионные (телевизоры), профессиональные, специальные радиоприемные устройства. К профессиональным относятся магистральные радиоприемные устройства декаметрового диапазона, радиорелейных и спутниковых ЛС. Среди радиоприемных устройств специального назначения следует назвать, например,

радиолокационные, радионавигационные, самолетные и т.д.

Антенны и фидеры

Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Антенны,

имеющие вид проводов или поверхностей, обеспечивают излучение электро-

магнитных колебаний при передаче, а при приеме они «собирают» падающую энергию.

Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной волны и продольными размерами, называют проволочны-

ми. Антенны, излучающие через свой раскрыв — апертуру, называют апер-

турными. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальны-

ми. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям,

имеющим размеры, соизмеримые или много больше по сравнению с длиной волны.

Сравнивать и оценивать свойства антенн любых типов можно по их па-

раметрам. Самым главным определяющим параметром передающей антенны как нагрузки для генератора или фидера является ее входное сопротивление.

Параметром антенны как излучателя электромагнитных волн является коэффи-

172

циент полезного действия, а также амплитудная характеристика направленно-

сти.

Входное сопротивление антенны определяется отношением напряжения высокой частоты на ее зажимах к току питания.

Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окружающее про-

странство. Часть ее расходуется не на излучение, а теряется на нагревание как самой антенны, так и находящихся поблизости предметов. Отношение мощно-

сти, излученной антенной, к мощности, подводимой к ней, называют коэффи-

циентом полезного действия антенны и выражают в процентах:

= изл 100% .

общ

Z

M(r, , )

M

r

Y

Диполь

Герца

ξ

X

Рис. 12.2. Сферическая система координат

Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлени-

ях неравномерно. Антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во все стороны, не существует. Распределение в пространстве напряженности электрического поля, созданного антенной, характеризуется амплитудной ха-

рактеристикой направленности. Она определяется зависимостью амплитуды

173

напряженности создаваемого антенной поля (или пропорциональной ей вели-

чины) от направления на точку наблюдения в пространстве. Направление на точку наблюдения определяется азимутальным j и меридиональным q углами сферической системы координат, как показано на рис. 12.2. При этом амплиту-

да напряженности электрического поля измеряется на одном и том же (доста-

точно большом) расстоянии r от антенны. Графическое изображение характе-

ристики направленности называют диаграммой направленности. Пространст-

венная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f(j ,q). По-

строение такой диаграммы неудобно, поэтому на практике обычно строят диа-

грамму направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изо-

бражается плоской кривой f(j) или f(q) в полярной или декартовой системе ко-

ординат.

Помимо рассмотренных основных электрических параметров антенн су-

ществует целый ряд дополнительных специфических параметров как электри-

ческих, так и экономических, конструктивных, эксплуатационных.

Что касается приемных антенн, то оказывается, что количественно элек-

трические параметры передающих и приемных антенн одни и те же, хотя физи-

ческое объяснение дается с точки зрения приема.

Приемная антенна имеет такие же значения входного сопротивления, ко-

эффициента полезного действия и такую же диаграмму направленности, какие она имела бы при работе в качестве передающей. Существенным различием в работе передающей и приемной антенн является то, что в передающей антенне используются большие токи и напряжения, а в приемной — очень незначитель-

ные.

Особенности передающих антенн различных диапазонов. Километровые и гектометровые радиоволны широко используются для организации сети зву-

кового радиовещания. Передающие антенны, как правило, устанавливаются в центре зон обслуживания, и поэтому должны создавать ненаправленное излу-

чение вдоль поверхности Земли, т.е. иметь диаграмму направленности в гори-

174

зонтальной плоскости в виде окружности. Таким условиям отвечают антенны-

мачты и антенны-башни. Их высота обычно 150...250 м, а некоторые антенны имеют высоту до 350 и даже 500 м.

Z

Y

X

a)

	X		Z		= 0
б)			в)
			= 90
			Y		= 90
= 270
		= 180			= 180

Рис. 12.3. Диаграммы направленности: а) — объѐмная, б) и в) — в азимутальной и меридиональной плоскостях

Для радиосвязи и радиовещания на значительные расстояния (тысячи ки-

лометров) используются декаметровые радиоволны. Особенности их распро-

странения таковы, что антенны должны сформировывать направленное излуче-

ние с максимумом излучения под некоторым углом к поверхности Земли. Са-

мыми распространенными типами передающих антенн, отвечающими этим требованиям, являются проволочные антенны: вибраторные, ромбические и

175

синфазные в виде решетки из вибраторов, возбужденных определенным обра-

зом. Простейшая из этих антенн — горизонтальный симметричный вибратор

— показана на рис. 12.4.

Диэлектрик
Вибратор	Опора
	От радиопередатчика
Рис. 12.4. Проволочная антенна — вибратор горизонтальный диапазонный

На местных радиолиниях протяженностью 50...100 км также используют-

ся в основном декаметровые радиоволны и простые антенны в виде вертикаль-

но подвешенного провода (Т- и Г-образные).

Диапазон метровых радиоволн используется главным образом для орга-

низации телевизионного и звукового вещания, а также для связи с подвижными объектами в пределах определенной зоны обслуживания. Передающие антен-

ны, как правило, должны создавать ненаправленное излучение в горизонталь-

ной плоскости.

Диапазоны дециметровых, сантиметровых и более коротких радиоволн применяются для организации радиорелейной связи. Антенны, устанавливае-

мые на радиорелейных линиях, должны обладать высокой направленностью, их диаграммы направленности должны иметь «игольчатую форму» (рис. 12.5).

Наиболее распространены апертурные (зеркальные) антенны. Схема простей-

176

шей из них — параболической антенны — приведена на рис. 12.6. Особенность распространения метровых, дециметровых, сантиметровых и более коротких радиоволн такова, что антенны необходимо размещать на специальных опорах высотой десятки и даже сотни метров.

Направление главного излучения

Боковые	Главный
лепестки	лепесток

Рис. 12.5. Диаграмма направленности «игольчатой формы»

Особенности приемных антенн различных диапазонов. Антенна — уст-

ройство обратимое. Если антенна хорошо излучает радиоволны, то она хорошо их и принимает. Форма диаграммы направленности антенны не зависит от того,

работает она на передачу или на прием. Содержание понятия «диаграмма на-

правленности» для приемной антенны несколько отличается от приведенного выше для передающей антенны. Это график зависимости напряжения на входе радиоприемника от направления прихода принимаемой электромагнитной вол-

ны.

В качестве приемных антенн в километровом и гектометровом диапазо-

нах используется рамочная антенна. В декаметровом диапазоне наиболее рас-

пространена антенна «бегущая волна». Антенна «волновой канал» является ти-

пичной для диапазона метровых волн, в частности для приема телевизионных сигналов. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн антенны являются обычно приемопередающими. Характерная схема одной из таких антенн пока-

зана на рис. 12.6.

177

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фидером. Передающие антенны,

используемые в километровом и гектометровом диапазонах радиоволн, соеди-

няются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фиде-

ров. В декаметровом диапазоне фидеры обычно выполняются в виде проволоч-

ных двухили четырехпроводных линий.

Облучатель

Параболическое зеркало

От радиопередатчика

Рис. 12.6. Принцип построения однозеркальной параболической антенны

К антеннам метровых радиоволн энергия обычно подводится с помощью коаксиального кабеля. На более коротких волнах, в частности в сантиметровом диапазоне, фидер выполняется в виде полой металлической трубы — волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.

В связи с наблюдающейся тенденцией умощнения передающих радио-

станций, работающих в диапазонах километровых, гектометровых и декамет-

ровых радиоволн, очень важным представляются вопросы конструирования ан-

тенн и фидеров с повышенной электрической прочностью, т.е. разработка кон-

струкций, способных работать со сверхмощными радиопередатчиками.

Значительный интерес представляет разработка устройств, обеспечиваю-

щих возможность подключения к одной антенне нескольких мощных радиопе-

редатчиков, работающих на разных частотах.

178

Для радиоприема на декаметровых волнах перспективным представляет-

ся создание устройств, позволяющих управлять диаграммой направленности приемных антенн в соответствии с изменением направления угла прихода ра-

диоволны. Следует ожидать, что в дальнейшем антенны с электрически управ-

ляемыми характеристиками займут доминирующее положение во многих об-

ластях антенной техники. Антенны радиорелейных линий совершенствуются в части увеличения концентрации энергии в главном направлении и снижения излучения в направлениях, несовпадающих с главным.

Радиорелейные системы передачи

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи (рис. 12.7).

ОРС

ПРС

	ПРС	УРС
		ПРС
ОРС		ОРС

Рис. 12.7. Принцип радиорелейной связи

На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазона надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между ан-

теннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелей-

ных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней. Типичные расстояния составляют 40…50 км при высотах башен и мачт, на

179

которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как недостаток. Именно за счѐт невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.

Антенны могут работать в режиме передачи и приема для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот: f1 и f2. При этом, если станция передает сигнал на частоте f1 и принимает на частоте f2, то соседние с ней станции передают на частоте f2, а принимают на частоте f1.

Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот МСЭ-Р, обра-

зует радиочастотный ствол.

Радиорелейные линии (РРЛ) занимают диапазоны ОВЧ и СВЧ, причем граница между аналоговыми и цифровыми радиорелейными системами (РРС)

лежит вблизи частоты 11 ГГц.

	УсВЧ1		СМ				УсВЧ2
fпр					ПФ			fпер

fсдв

Г

М

СС, ТС

Рис. 12.8. Приѐмопередающая аппаратура с усилением на СВЧ и преобразованием частоты

Аналоговые РРС предназначены в основном для передачи многоканаль-

ных телефонных сигналов в аналоговой форме и сигналов данных с низкой и

180

средней скоростью по каналам ТЧ, а также сигналов телевидения. Цифровые РРС используются для организации цифровых трактов со скоростями от 2 до

140 Мбит/с.

Большинство станций РРЛ составляют промежуточные радиостанции

(ПРС), играющие роль активных ретрансляторов. На всех станциях РРЛ целе-

сообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппара-

туру (ППА), удовлетворяющую требованиям заданного частотного плана.

Перспективным вариантом построения ППА является вариант с усилени-

ем на СВЧ и преобразованием частоты (рис. 12.8). Недостатком подобной схе-

мы является необходимость обработки сигнала на СВЧ.

Наиболее часто используется ППА, в которой обработка сигналов произ-

водится на промежуточной частоте fпч (рис. 12.9). Номинальное значение fпч вы-

бирается в соответствии с рекомендациями МСЭ-Р и обычно составляет 70

МГц.

Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода инфор-

мационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях.

ПФ

fпр

Г

СМпр	УПЧпр
	СМсдв

fгпр

ВГ

СМпер

Ус О

fпч

fгпер

УсВЧ

ПФ

fпер

Рис. 12.9. Приѐмопередающая аппаратура с обработкой на промежуточной частоте