Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Буянов Ю.И., Гошин Г.Г.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Учебное пособие

Рекомендовано Сибирским региональным отделением учебно-методического объединения высших учебных заведений РФ по образованию в области ра-

диотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов,

обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 210400.62 «Радиотех-

ника» и 210700.62 « Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

2013

1

УДК 621.396.67

Рецензенты:

кафедра радиофизики НИ Томского государственного университета, зав. кафедрой, профессор д-р физ.-мат. наук Якубов В.П.,

Сибирский физико-технический институт, профессор доктор физ.-мат. наук Фисанов В.В.

Буянов Ю.И., Гошин Г.Г.

Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства: Учеб-

ное пособие. – Томск, ТУСУР, 2013. – 300 с.

© Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2013

© Буянов Ю.И., 2013

© Гошин Г.Г., 2013

2

Содержание

Список основных сокращений и обозначений…………………………………6

Введение…………………………………………………………………………10

1.Основы теории антенно-фидерных устройств……………………………...15

1.1.Принципы и теоремы электродинамики, используемые в теории антенн……………………………………………………………………….…15

1.2.Характеристики поля, возбуждаемого излучателями конечных размеров……………………………………………………………………......23

1.3.Основные электрические параметры антенн………………………...…26

1.4.Элементы общей теории линейных антенн………………………….…46

1.5.Элементы общей теории апертурных антенн…………………………..63

Вопросы для самоконтроля………………………………………………….67

2.Элементы и узлы фидерного тракта………………………………………....68

2.1.Основы общей теории распространения радиоволн в линиях передачи…………………………………………………………………….....68

2.2.Характеристики отрезков линий передачи с неоднородностями……..91

2.3.Согласование линии передачи с нагрузкой…………………………… 94

2.4.Волновые матрицы для описания устройств СВЧ…………………..…99

2.5.Соединители и переходы между линиями передачи………………….104

2.6.Делители мощности…………………………………………………......107

2.7.Управляющие устройства……………………………………………....115

Вопросы для самоконтроля……………………………………………….....119

3.Линейные антенны…………………………………………………………..120

3.1.Антенны стоячей волны………………………………………………...120

3.2.Конструкции вибраторных антенн и способы их возбуждения….....129

3.3.Щелевые антенны……………………………………………………….138

3.4.Цилиндрическая и коническая спиральные антенны……………..…..141

3.5.Диэлектрические стержневые антенны………………………………..145

3.6.Директорные антенны………………………………………………..…148

Вопросы для самоконтроля………………………………………….……...152

3

4.Апертурные антенны………………………………………………………...153

4.1.Волноводные излучатели……………………………………………....154

4.2.Рупорные антенны……………………………………………………...156

4.3.Зеркальные антенны…………………………………………………....163

4.4.Линзовые антенны……………………………………………………...172

Вопросы для самоконтроля………………………………………………..…..179

5.Антенные решетки…………………………………………………………..180

5.1.Волноводно-щелевые антенны………………………………………..180

5.2.Фазированные антенные решетки…………………………………….186

5.3.Многолучевые антенные решетки…………………………………….198

Вопросы для самоконтроля………………………………………………...203

6.Вопросы электромагнитной совместимости………………………………204

6.1.Параметры антенн, определяющие электромагнитную совместимость……………………………………………………………….204

6.2.Методы снижения бокового излучения апертурных антенн………...207

6.3.Активные методы борьбы с помехами………………………………...213

7.Распространение радиоволн. Основные понятия и определения………216

7.1.Классификация радиоволн по диапазонам…………………………....216

7.2.Состав и строение атмосферы Земли………………………………….215

7.3.Распространение радиоволн в свободном пространстве………..222

7.4.Факторы, влияющие на распространение радиоволн………………..226

7.5.Электрические параметры земной поверхности……………………...230

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………232

8.Распространение земных радиоволн при поднятых антеннах…….…….234

8.1.Расстояние прямой видимости………………………………………....234

8.2.Распространение радиоволн при поднятых антеннах над плоской Зем-

лёй…………………………………………………………...………..………234

8.3.Отражение радиоволн от неровной земной поверхности……………246

8.4.Учёт сферичности Земли в интерференционных формулах………...248

8.5.Распространение радиоволн в зоне тени и полутени………………...250

4

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………...252

9. Распространение земных радиоволн при низко расположенных

антеннах………………………………………………………………………..254

9.1.Формула идеальной радиопередачи………………………………….254

9.2.Структура поля над поглощающей поверхностью Земли………….256

9.3.Расчет вертикальной составляющей напряжённости электрического поля. Формула Шулейкина – Ван-дер-Поля………………………………261

9.4.Распространение радиоволн при низко расположенных антеннах над неоднородной трассой………………………………………………….265

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………269

10.Тропосфера и её влияние на распространение радиоволн………………270

10.1.Рефракция радиоволн………………………………………………….270

10.2.Распространение радиоволн за счёт рассеяния на неоднородностях тропосферы…………………………………………………………………..278

10.3.Ослабление радиоволн в тропосфере………………………………...281

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………283

11.Ионосфера и её влияние на распространение радиоволн……………….284

11.1.Электрические параметры однородной ионосферы………………...284

11.2.Отражение и преломление радиоволн в ионосфере…………………285

11.3.Поглощение радиоволн в ионосфере…………………………………292

11.4.Влияние постоянного магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере……………………………………………………...293

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………297

Список литературы…………………………………………………………….298

5

Список основных сокращений и обозначений

АА	–	апертурная антенна;
АБВ –		антенна бегущей волны;
АР	–	антенная решетка;
АСВ –		антенна стоячей волны;
АФР –		амплитудно-фазовое распределение;
АФУ –		антенно-фидерное устройство;
ВЩАР– волноводная щелевая антенная решетка;
ДН	–	диаграмма направленности;
ДТР	–	дальнее тропосферное распространение;
КБВ –		коэффициент бегущей волны;
КИП –		коэффициент использования поверхности антенны;
КНД –		коэффициент направленного действия антенны;
КПД –		коэффициент полезного действия;
КСВ –		коэффициент стоячей волны;
КУ	–	коэффициент усиления антенны;
ЛА	–	линейная антенна;
ЛДС –		линейная дискретная система;
ЛНС –		линейная непрерывная система;
ЛП	–	линия передачи;
МН	–	множитель направленности;
ПД	–	поляризационная диаграмма;
ПЗА	–	параболическая зеркальная антенна;
РТС	–	радиотехническая система;
УБЛ	–	уровень боковых лепестков;
УКВ	–	ультракороткие волны;
ФАР	–	фазированная антенная решетка;
ФД	–	фазовая диаграмма;
ЭДС	–	электродвижущая сила;

6

ЭМС – электромагнитная совместимость;

a – размер широкой стенки прямоугольного волновода, радиус круглого

волновода, радиус проводника, большая полуось эллипса поляризации;

А – векторный потенциал;

b – размер узкой стенки прямоугольного волновода, малая полуось эллипса поляризации, ширина щели;

aр – размер прямоугольной апертуры, радиус круглой апертуры; bр – размер прямоугольной апертуры;

c – скорость света;

C – емкость;

dр – диаметр раскрыва круглой апертуры, зеркальной или линзовой антенны;

D0– коэффициент направленного действия антенны в направлении максиму-

ма ДН;

Е – вектор напряженности электрического поля;

f – частота, фокусное расстояние зеркальной или линзовой антенны;

F(θ,ϕ) – нормированная диаграмма направленности антенны;

G0 – коэффициент усиления антенны в направлении максимума ДН; h – высота несимметричного вибратора, толщина линзы;

hэф –		эффективная (действующая) высота несимметричного вибратора;
Н – вектор напряженности магнитного поля;
i	–	мнимая единица;
I	–	ток;
j	–	объемная плотность тока;
J – поверхностная плотность тока;
k	–	волновое число;
KП – коэффициент перекрытия диапазона по частоте;
l	–	длина плеча симметричного вибратора;
lэф –		эффективная (действующая) длина антенны;
L –		индуктивность, длина;

Lопт – длина оптимальной линейной антенны;

7

m– целое число, отношение компонент напряженности поля или токов;

n– целое число, коэффициент преломления линзы;

P – мощность;

R – активное сопротивление;

Sэф – эффективная поверхность антенны;

TА – шумовая температура антенны;

U – напряжение;

W0 – волновое сопротивление среды;

W0л – волновое сопротивление линии передачи;

X– реактивное сопротивление;

Y– проводимость;

Z– комплексное сопротивление (импеданс);

α – коэффициент затухания волны;

β – коэффициент фазы;

γ – постоянная распространения волны, коэффициент согласования;

γэ – угол наклона большой оси эллипса поляризации;

Γ – коэффициент отражения;

δ – неравномерная составляющая распределения;

ε– диэлектрическая проницаемость среды;

ε– электродвижущая сила;

η	–	коэффициент полезного действия;
θ	–	меридиональный угол в сферической системе координат;
Δθ0,5		или 2θ0,5 – ширина ДН по уровню половины мощности;
λ	–	длина волны;
μ	–	магнитная проницаемость среды;
ν	–	коэффициент использования поверхности антенны;
ξ	–	коэффициент замедления (ускорения) волны;
ϕ	–	азимутальный угол в сферической системе координат;

8

χ – угол между плоскостями поляризации передающей и приемной антенн;

2θр или 2ψр – угол раскрыва зеркальной или линзовой антенн;

ω – круговая частота.

9

ВВЕДЕНИЕ

В наше время преобладающая доля информации передается с использо-

ванием беспроводных средств связи, в которых выход источника сигнала и вход приемника соединены между собой посредством радиолинии. Ра-

диолиния содержит передающее антенно-фидерное устройство (АФУ),

радиотрассу (некоторую область пространства, в которой распространяются свободные электромагнитные волны) и приемное АФУ. Каждое АФУ вклю-

чает в себя антенну и все элементы между выходом передатчика и входом

	Радиолиния (радиоканал)
Передающая		Приемная
антенна		антенна
Передат-		Приемник
чик
Фидер	Радиотрасса	Фидер
Передающее АФУ		Приемное АФУ
Рис. В.1. Радиотехническая система, использующая радиолинию для передачи

информации

антенны или выходом антенны и входом передатчика. Схематичное пред-

ставление системы беспроводной радиосвязи приведено на рис. 1. Таким об-

разом, антенна является областью перехода от линии передачи (фидера) к

свободному пространству.

Линия передачи (фидер) служит для передачи сигнала от передатчи-

ка к антенне или от антенны к приемнику и может включать в себя согласу-

ющие и симметрирующие устройства, делители или сумматоры мощности,

фазовращатели и другие элементы фидерного тракта.

Передающая антенна преобразует энергию подвижных зарядов (пе-

ременных токов и напряжений) в энергию свободных волн. Основное назна-

чение передающей антенны состоит в том, чтобы в заданной точке простран-

ства (например, в месте расположения приемной антенны) обеспечить мак-

симальное значение напряженности электромагнитного поля, т.е. коэффици-

10