1.6. Антенные устройства

Антенное устройство — один из основ­ных элементов радиопередающей и ра­диоприемной радиостанций. По назна­чению антенны разделяются на пере­дающие, приемные, а также комбини­рованные приемно-передающие.

Передающие антенны, преобразуют энергию токов высокой частоты пере­датчика в электромагнитную энергию и излучают эту энергию в окружающее пространство в виде радиоволн. Прием­ные антенны извлекают энергию электромагнитных волн из окружаю­щего пространства и, преобразуя ее в энергию токов высокой частоты, пере­дают на вход приемного устройства.

Антенны—обрати­мые преобразователи электромагнит­ной энергии, очень часто одну и ту же антенну используют как для передачи, так и для приема радиосигналов.

Исходя из характеристик излучения антенны подразделяются на антенны ненаправленного и направленного действия.

Антенна представляет собой откры­тый колебательный контур, имеющий собственную частоту (длину волны). Простейшая антенна — симметричный вибратор — изолированный с обоих концов проводник, питаемый от источ­ника высокой частоты в центральной своей части (рис. 1.24). Он может быть получен из разомкнутой четвертьволно­вой линии при разведении ее концов на 180°. Известно, что в линии, разомкнутой на конце, в результате сложения падающей и отраженной волн устанавливается стоячая волна тока и напряжения. Расстояние вдоль линии между соседними нулевой амплитудой тока и нулевой амплитудой напряжения равно ¹/₄ длины волны. Исходя из этого для работы на собственной волне ₀ длина 2l сим­метричного вибратора должна быть 2 l=₀/2. Поэтому антенна, изображен­ная на рис. 1.24, называется полу­волновым симметричным вибратором.

Рис. 1.24 Полуволновой симметричный вибратор

Симметричные антенны на судах применяются, как правило, в диапазо­не ультракоротких волн. Питание сим­метричных антенн, т. е. подводка энер­гии от передатчика к антенне или соединение антенны с входом прием­ника, производится с помощью двух­проводной (фидерной) линии.

Вертикальная заземленная (штыре­вая антенна). При работе на более длинных волнах антенны типа «сим­метричный вибратор» практически непригодны, так как требуемые разме­ры антенны слишком велики и в судо­вых условиях их размещение встре­чает большие трудности.

По этой причине в диапазоне декаметровых и более длинных волн при­меняются заземленные, или несиммет­ричные антенны. Один конец провода такой антенны изолируется от корпуса судна, а второй через элементы связи с выходом передатчика или входом приемника заземляется (соединяется с корпусом судна). Так как земля (корпус судна)—проводник электри­ческого тока, то она заменяет собой вторую половину антенны (рис. 1.25).

Рис. 1.25 Заземленная антенна

Теперь вдоль заземленного провода антенны укладывается ¹/₄ волны тока и напряжения. Следовательно, собст­венная длина волны заземленной антен­ны

₀ = 4 l

т. е. длина провода для устройства такой антенны должна быть в 2 раза меньше, чем для незаземленной. Но даже и в этом случае требуемая длина провода антенны не всегда может быть размещена на судне. Кроме того, одна и та же антенна используется обычно не на одной волне, а в определенном диапазоне волн или частот.

Передающие антенны при работе на волнах, отличающихся от собствен­ной длины волны антенны, обычно на­страиваются в резонанс на рабочую длину волны путем включения в антен­ну дополнительной индуктивности или емкости.

Если в антенну последовательно включить катушку индуктивности (рис. 1.26), то общая индуктивность антенного контура возрастает, и антенна оказывается настроенной на более длинную волну, чем собственная

Рис. 1.26 Управление длиной волны антенны

Когда последовательно в антенну включается конденсатор С, общая емкость антенны уменьшается и длина волны на которую настраивается антенна будет короче.

Действующая высота антенны. Из-за того, что ток в проводе антенны по ее длине неодинаков, при расчете излу­чаемой мощности или напряжения, создаваемого в антенне, при приеме радиосигналов четвертьволновую пло­щадь тока заменяют равновеликим прямоугольником, основание которого равно току у основания антенны. Вы­сота прямоугольника называется действующей высотой антенны h_д.

Действующая высота вертикальной антенны меньше ее геометрической вы­соты l. Например, для вертикальной заземленной антенны, работающей на собственной волне (без включения удлинительной катушки или конденса­тора), действующая высота

h_д = 2l / = 0,64 l

Увеличение действующей высоты при данной геометрической высоте дости­гается применением дополнительного горизонтального провода (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Действующая высота антенны:

а – вертикальный провод, б – вертикальный и горизонтальный провода

В этом случае ток у верхнего конца вертикальной части антенны будет больше нуля, его распределение вдоль вертикального провода антенны ока­зывается более равномерным и дейст­вующая высота антенны увеличивает­ся. Кроме действующей высоты, нали­чие горизонтального провода увеличи­вает собственную длину волны антен­ны ₀ за счет увеличения длины пути тока.

Вертикальный провод антенны, являющийся по-прежнему основной излучающей и принимающей частью антенны, присоединяется либо к концу горизонтального провода, образуя Г-образную антенну, либо к середине провода, образуя Т-образную антенну.

Если требуется иметь антенну сравнительно малой длины (антенны декаметровых волн, приемные антенны) или судно имеет одну, используемую для подвески антенны-мачту, применяют часто антен­ны наклонного типа. На малых судах при небольшом разносе между мачта­ми для увеличения собственной волны антенны увеличивают ее емкость, при­меняя многолучевые антенны.

Излучаемую антенной мощность Р_ можно представить как произведение квадрата действующего тока I² у осно­вания антенны на сопротивление R_ эквивалентное расходу энергии антен­ны на излучение, которое получило название сопротивления излучения:

Р_ = I² R_

Сопротивление излучения зависит от действующей высоты антенны и дли­ны рабочей волны

R_ ==1600(h_д /.)²

Таким образом, чем больше дейст­вующая высота антенны и короче длина волны, тем сопротивление излуче­ния будет больше.

Мощность, подводимая к антенне от передатчика, расходуется не только на излучение в окружающее простран­ство, некоторая часть ее затрачивает­ся на потери в проводах антенны, морской воде, в корпусе судна, в раз­личных проводниках, окружающих антенну за счет наводимых в них токов высокой частоты. Особенно растут по­тери в металлических частях судна или в такелаже, если они оказываются настроенными или близкими к на­стройке в резонанс.

Полное сопротивление антенны скла­дывается из сопротивления излучения и сопротивления R_п потерь. Мощность, подводимая к антенне, Р_а = I²(R_ + R_п ). Эффективность работы антенны определяется ее КПД.

Следовательно, увеличение КПД антенны достигается увеличением сопротивления излучения и уменьшением сопротивления потерь.

Приемные антенны. Если на антенну воздействует электромагнитное поле то в ней наводится переменная ЭДС, частота которой равна частоте изменения э/м поля. Наводимая эдс будет зависеть от напряженности поля и действующей высоты антенны. Основное требование предъявляемое к антеннам – достаточная действующая высота. Э/м волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно, т.е. антенна имеет свойства направленного излучения, которые характеризуются коэффициентом направленного действия (кнп) и диаграммой (характеристикой) направленности. Кнп показывает, во сколько раз мощность в направлении максимального излучения больше среднего значения мощности, излучаемой по всем направлениям.

Распределение в пространстве эмп или мощности создаваемых антенной выражается диаграммой направленности антенны которая характеризуется графиком изменения мощности или напряженности поля создаваемых антенной в разных направлениях, но на одинаковом расстоянии от нее. Этот график может быть построен в прямоугольных или в полярных координатах. Диаграмма направленности симметричного вибратора в горизонтальной и вертикальной плоскостях построенная в полярных координатах имеет форму тороида вращения (рис.1.28)

Рис 1.28. Диаграмма направленности симметричного вибратора

Из этой диаграммы следует, что в направлении оси симметричного вибратора излучение энергии и соответственно прием сигналов не происходят. В направлениях перпендикулярных к оси вибратора излучение и прием сигналов будут максимальными для любых азимутальных направлений. Таким образом, вертикально расположенный симметричный вибратор в азимутальной плоскости направленностью не обладает. У наклонных Т-образных и Г-образных антенн направленность в азимутальной плоскости выражена очень слабо (практически эти антенны считаются ненаправленными). Направленными (остронаправленными) являются антенны судовых РЛС, антенны спутниковой радиосвязи, рамочные антенны радиопеленгаторов.

Распространение радиоволн

Радиоволны представляют собой э/м колебания, которые характеризуются напряженностью электрического и магнитного полей.

Электромагнитное поле описы­вается основными уравнениями Д. Максвелла, который впервые мате­матически обосновал гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем простран­стве переменное магнитное поле, а пере­менное магнитное поле возбуждает переменное электрическое поле.

Возбуждение переменными электри­ческими и магнитными полями новых электрических и магнитных полей в со­седних областях пространства — осно­ва распространения этих полей в про­странстве, т. е. образования электро­магнитных волн, распространяющихся со скоростью света с = 3- 10^s km-c^-1.

В той или иной точке пространства электромагнитное поле численно опре­деляется амплитудным (или действую­щим) значением напряженности элект­рической составляющей Е в микро­вольтах на метр (мкВ/м).

Энергия электромагнитных волн, излучаемая передающей антенной, распространяется в пространстве дву­мя путями: непосредственно вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к поверхности земли (пространственные волны).

Поверхностные радиоволны распро­страняются на большие расстояния за счет дифракции, т. е. способности радиоволн огибать кривизну земли. Явление дифракции наблюдается тогда, когда высота препятствия меньше или соизмерима с длиной волны. Дифрак­ция проявляется тем больше, чем боль­ше длина волны по сравнению с ли­нейными размерами поверхности, на которую падают радиоволны.

Энергия пространственных волн до­стигает ионизированных слоев атмо­сферы— ионосферы, отражается от нее и вновь попадает на поверхность земли.

Можно считать, что ионосфера состоит из четырех максимумов иони­зации, называемых условно слоями и обозначаемых D; E; F1; F2 (рис. 1.29).

Рис. 1.29 Распределение слоев ионосферы

Наиболее близко от земли (на вы­соте 50—60 км) находится слой D. существующий только днем, имеющий низкую концентрацию электронов не более 10³ эл/см³. Ночью слой D распадается вследствие рекомбинации электронов и ионов. Над слоем D па высоте 90—130 км расположен слой Е с концентрацией электронов от 10⁴ эл/см³ в зимнее время до 10⁵эл/см³ в летнее время.

Над слоем Е находится слой F, ко­торый в летнее время расщепляется на слой F1 с максимумом ионизации на высоте около 200—300 км и слой F2 с максимумом ионизации на высоте 350—400 км. Ионизация различна в летнее и зимнее время и изменяется в течение суток.

В ионизированном воздухе радио­волны имеют меньшую скорость рас­пространения, которая уменьшается с увеличением концентрации электро­нов.

Ввиду того, что степень ионизации атмосферы изменяется с высотой, ионосфера, но отношению к распространяю­щимся в ней радиоволнам ведет себя как неоднородная среда. Благодаря неоднородности изменяется направле­ние распространения радиоволн, и энергия радиоволн поглощается. Попадающий в ионосферу луч искрив­ляется и при определенных условиях испытывает полное внутреннее отра­жение, вновь попадая на поверхность земли. Чем ниже частота и меньше угол  наклона луча и чем больше степень ионизации, тем больше пре­ломление, т. е. тем сильнее искривляет­ся путь радиоволн, попавших в ионо­сферу.

Радиоволны будут отражаться только в том случае, если частота не будет превышать некоторого опре­деленного значения, называемого кри­тической частотой f_кр. Волны, частота которых выше критической, не отра­жаются от ионосферы, а пронизывают этот слой (рис. 1.30). Как показали исследования, радиоволны короче 10 м (частота выше 30 МГц) не способны отражаться от ионосферы даже в дневные часы, когда ионизация атмосферы максимальна.

Рис. 1.30 Отражение от ионосферы различных частот

В связи с тем, что частота электро­магнитного поля (длина волны) влияет

на особенность распространения радио­волн, методы генерации, приема и уси­ления радиосигналов, спектр радио­волн (частот) в соответствии с между­народной регламентацией условно разделяют на 9 диапазонов, обозна­чаемых номерами от 4 до 12 (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Мириаметровые волны (СДВ) рас­пространяются аналогично распростра­нению энергии в сферическом (при­родном) волноводе, образованном по­верхностью земли и нижним слоем ионосферы. Важные свойства СДВ — незначительное ослабление энергии и повышенная устойчивость амплиту­ды и фазы поля, как днем, так и ночью. Километровые волны (ДВ) распро­страняются с малыми потерями энер­гии в почве и с высокой способностью огибать поверхность земли. В связи с этим ДВ действуют на значительном расстоянии от передатчика. Частоты диапазона ДВ значительно меньше критических частот даже для более низких слоев ионосферы, поэтому ДВ как днем, так и ночью легко от нее отражаются. Характерная особенность ДВ — постоянство условий распростра­нения. Все периодические и нерегу­лярные процессы в ионосфере (один­надцатилетний период солнечной актив­ности, ионосферные возмущения, ме­теорологические условия) существен­ного влияния на процессы распространения ДВ не оказывают. Диапазон ДВ используется в основном для целей радиосвязи и радиовещания.

Гектометровые волны (СВ) распро­страняются с заметным поглощением энергии в земле и в ионосфере. Поэто­му дальность действия волн радиостан­ций гектометровых волн в сильной сте­пени зависит от времени суток и вре­мени года. При приеме сигналов СВ диапазона в дневное время на расстоя­нии 500—1000 км пространственных волн почти не обнаруживается. Это объ­ясняется сильным поглощением энер­гии в слое D. В ночное время энергия отражается от слоя Е имеющего луч­шую проводимость, поэтому сигналы принимают как за счет поверхностных, так и пространственных волн. Даль­ность действия радиостанций увеличи­вается.

На условия распространения СВ влияет также время года. Последнее обстоятельство объясняется тем что, во-первых, поглощение СВ при отра­жении от ионосферы в зимнее время уменьшается, так как уменьшается ионизация нижних слоев ионосферы, и, во-вторых, в летние месяцы заметно возрастает влияние атмосферных по­мех. Остальные факторы — одиннадца­тилетний период солнечной активности, ионосферные возмущения и пр.—заметного влияния на распространение СВ не оказывают.

Диапазон СВ используется в радио­вещании, морской радиосвязи, радио­маячной службе, радионавигации.

Декаметровые волны (KB) распро­страняются так же, как волны ДВ и СВ, с помощью поверхностного и пространственного лучей. Энергия поверхностного луча быстро затухает из-за больших потерь в подстилающей поверхности (земле). Поэтому даль­ность действия поверхностного луча KB находится в пределах десятков кило­метров.

Пространственные волны диапазона KB в отличие от ДВ и СВ отражаются от слоя F2 с большей концентрацией электронов, проходя в дневное время D и Е, а в ночное время слой Е. Таким образом, в слое Е радиоволны поглощаются, а в слое F2 — отра­жаются.

На условия распространения KB большое влияние оказывает время су­ток, время года, одиннадцатилетний период солнечной активности и геогра­фическое расположение линий радио­связи.

Наиболее короткие волны (10—25 м) пригодны для связи в дневное время, когда ионизация слоя F2 максимальна и эти волны будут от него отражаться.

Работать на волнах 10—25 м в ночное время не рекомендуется, так как из-за уменьшения ионизации слоя F2 после захода солнца критическая частота понижается и волны 10—25 м могут не отражаться. В ночное время необхо­димо переходить на работу более длин­ными волнами 35—70 м. В связи с изложенным волны 10—25 м полу­чили название дневных, а волны 35—70 м — ночных.

Особенность распространения KB зависит также от возникновения осо­бых явлений, к которым относятся за­мирание радиосигналов и наличие зон молчания; радиосвязь может также нарушиться из-за возмущений в ионо­сфере.

Кроме перечисленных явлений, наблюдается изменение слышимости, а зачастую и пропадание приема в свя­зи с возникновением магнитных бурь и ионосферных возмущений. Основная причина нарушения связи — процессы, происходящие в слое F2 во время ионо­сферных возмущений. Например, слой F2 может оказаться полностью разру­шенным, и тогда KB перестают отра­жаться от ионосферы.

Наибольшее число ионосферных возмущений происходит вблизи магнит­ных полюсов.

По мере удаления от магнитных по­люсов интенсивность ионосферных воз­мущений ослабляется.

Декаметровые волны широко исполь­зуются в радиовещании и в радиосвязи на больших расстояниях, которая обеспечивается при сравнительно небольших мощностях радиопередатчи­ков.

Ультракороткие волны (УКВ) рас­пространяются в нижних слоях атмо­сферы— тропосфере только поверх­ностным лучом почти прямолинейно. Волны короче 10 м ионосферой не отра­жаются. За пределами прямой види­мости напряженность поля УКВ за­метно уменьшается, так как дифракция в этом диапазоне сказывается очень слабо.

Основные преимущества УКВ (а так­же дециметровых и сантиметровых волн) —возможность одновременной работы без взаимных помех большого количества радиостанций; отсутствие нарушений связи во время ионосфер­ных возмущений, что обеспечивает на­дежную радиосвязь в сложных усло­виях; отсутствие атмосферных помех, кроме помех, вызываемых космически­ми шумами и шумами солнца; воз­можность создания остронаправленных антенн при сравнительно малых их размерах.

Диапазон метровых, дециметровых, сантиметровых радиоволн широко используется в радиолокации, телеви­дении, спутниковой радиосвязи и ра­дионавигации, рейдовой и внутри-портовой связи.