Aнтенны и распространение радиоволн
.pdfАНТЕННЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАДИОВОЛН
Конспект лекций
Аннотация. Конспект лекций по обзорному курсу “Антенны и распространение радиоволн” для студентов радиотехнических специальностей ЛЭТИ им. В. И. Ульянова(Ленина)
Оглавление
Введение |
|
v |
|
Часть 1. |
АНТЕННЫ |
1 |
|
Глава 1. |
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ |
3 |
|
1. |
Электрический диполь Герца |
3 |
|
2. |
Магнитный диполь Герца |
9 |
|
3. |
Элементарная рамка с током |
12 |
|
4. |
Элемент Гюйгенса |
15 |
|
5. |
Заключение |
17 |
|
Глава 2. |
ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН |
19 |
|
1. |
Поле двух элементарных излучателей |
19 |
|
2. |
Дальняя и ближняя зоны антенны |
21 |
|
Приложение A. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ. |
|
||
|
|
ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ |
25 |
Приложение. Литература |
31 |
iii
Введение
1.Понятие радиоканала
Всостав практически любой современной радиотехнической системы входит радиоканал совокупность технических средств и среды, через которую переносится информация. Структурная схема произвольного радиоканала (см. рис. В.1.) может быть разделена на 3 части.
Передающая часть радиоканала |
|
Приёмная часть радиоканала |
|||
|
|
Передающая |
@ Среда |
@ Приёмная |
|
|
|
антенна |
|
антенна |
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
P |
@ @ |
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
Фидерный |
|
Фидерный |
|
|
|
тракт |
Источники |
тракт |
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
P |
помех |
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
P |
|
Источник |
A |
Передатчик |
|
Приёмник |
A Получатель |
информации |
A |
|
A |
||
|
|
|
|
информации |
|
|
|
A |
|
A |
|
|
|
Источник |
|
Источник |
|
|
|
питания |
|
питания |
|
Рис. В.1. Структурная схема радиоканала
Передаваемое сообщение, соответствующим образом закодированное, от источника информации поступает на передатчик. В передатчике происходит возбуждение колебаний токов высокой частоты, а также их модуляция передаваемым сообщением. Энергия токов высокой частоты образуется за счёт энергии источников питания. Она поступает с передатчика на линию передачи фидерный тракт (фидер от англ. feeder), а с последнейна передающую антенну, которая преобразует эту энергию в энергию свободно распространяющихся в пространстве электромагнитных волн и с физической точки зрения представляет собой преобразователь видов энергии. На передающей антенне кончается передающая часть структурной схемы радиоканала.
Созданная передающей антенной электромагнитная волна, распространяясь в окружающей среде, претерпевает изменения, определяемые свойствами этой среды (потерями, неоднородностью, частотными зависимостями параметров и т.д) и достигает приёмной антенны. Кроме того, на приёмную антенну воздействуют и другие радиоволны различного происхождения. Сюда следует отнести радиоволны множества передающих станций и грозовых разрядов, радиоволны, создаваемые электрическим транспортом, бытовыми приборами, излучением небесных тел и другими источниками. Все они объединяются в одно понятие – радиоволны помех. Присутствие в радиоканалах помех отмечено на структурной схеме элементом "Источники помех".
v
vi |
ВВЕДЕНИЕ |
Приёмная часть структурной схемы радиоканала начинается с приёмной антенны. Приёмная антенна также является преобразователем видов энергии, она преобразует энергию электромагнитных волн свободного пространства в энергию токов высокой частоты фидера, т.е. осуществляет обратное по сравнению с передающей антенной преобразование видов энергии. Энергия токов высокой частоты с выхода приёмной антенны через фидерный тракт поступает на приёмник. В приёмнике происходит выделение и преобразование сигналов, несущих информацию, и передача их получателю. Преобразование и выделение сигналов происходит за счёт источников энергии на приёмной стороне.
В дальнейшем нас будет интересовать именно высокочастотная часть радиоканала фидеры и антенны передающей и приёмной сторон и среда распространения с помехами. Эту часть радиоканала будем называть радиолинией.
2. Диапазоны радиоволн
Радиоволны занимают часть спектра электромагнитных волн, ограниченную пределами 3 · 103 ÷ 3 · 1012 Гц. Ниже в табл. В.1 приводится классификация длин радиоволн по диапазонам и соответствующая ей номенклатура полос частот, принятая Международным Консультативным комитетом по радио (МККР) в 1959 г. ([1]) (диапазон частот связан с номером полосы N соотношением (0,3 ÷ 3) · 10N Гц).
Таблица В.1. Диапазоны и полосы частот радиоволн
Классификация по длинам волн |
Классификация по частотам |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Длина волны |
Метрическое |
Номер |
Диапазон частот |
Сокращённые |
|
Диапазон волн |
в свободном |
|||||
пространстве |
подразделение |
полосы |
(исключая ниж- |
буквенные |
||
|
(вакууме) |
волн |
N |
ний и включая |
обозначения |
|
|
верхний предел) |
полос |
||||
|
в метрах |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
СДВ – |
от 100000 |
|
|
|
ОНЧ – очень |
|
сверхдлинные |
мириаметровые |
4 |
от 3 до 30 кГц |
|||
до 10000 |
низкие частоты |
|||||
волны |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
ДВ – длинные |
от 10000 |
километровые |
5 |
от 30 до 300 кГц |
НЧ – |
|
волны |
до 1000 |
низкие частоты |
||||
СВ – средние |
от 1000 |
гектометровые |
6 |
от 300 |
СЧ – |
|
волны |
до 100 |
до 3000 кГц |
средние частоты |
|||
|
|
|||||
КВ – короткие |
от 100 до 10 |
декаметровые |
7 |
от 3 до 30 МГц |
ВЧ – |
|
волны |
|
|
|
|
высокие частоты |
|
|
от 10 до 1 |
метровые |
8 |
от 30 до 300 МГц |
ОВЧ – очень |
|
|
высокие частоты |
|||||
|
от 1 до 0,1 |
дециметровые |
9 |
от 300 |
УВЧ – ультра- |
|
УКВ – |
до 3000 МГц |
высокие частоты |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
СВЧ – сверх- |
||
ультракороткие |
от 0,1 до 0,01 |
сантиметровые |
10 |
от 3 до 30 ГГц |
||
высокие частоты |
||||||
волны |
|
|
|
|
|
|
от 0,01 до 0,001 |
миллиметровые |
11 |
от 30 до 300 ГГц |
КВЧ – крайне |
||
|
высокие частоты |
|||||
|
от 0,001 |
субмиллиметровые |
12 |
от 300 |
|
|
|
до 0,0001 |
до 3000 ГГц |
|
|||
|
|
|
|
В настоящее время в отечественной радиотехнике (особенно в радиолокации) активно используются представленные в табл. В.2 буквенные обозначения радиолокационных частотных диапазонов, пришедшие из англоязычных стран [3]. Исходные кодовые буквы (P, L, S, X и K ) были введены в практику во время второй мировой войны для обеспечения секретности и затем перешли и в открытое употребление. Другие буквы (C, Ku и Ka) были добавлены позднее, с началом использования новых диапазонов; некоторые буквы (P и K ) в настоящее время используются редко.
Следует отметить, что изменение частоты передачи может существенным образом изменять условия прохождения радиосигналов по по одной и той же радиотрассе между передающей и приёмной антеннами, что, соответственно, оказывает важное влияние на
2. ДИАПАЗОНЫ РАДИОВОЛН |
vii |
качество функционирования радиолинии. Таким образом, при выборе рабочих частот различных радиотехнических систем учёт частотных особенностей распространения радиоволн играет очень важную роль.
Таблица В.2. Буквенные обозначения частотных диапазонов
Обозначение диапазона |
Частоты |
VHF (весьма высокие частоты, ВВЧ) |
30÷300 МГц |
UHF (ультравысокие частоты, УВЧ) |
300÷1000 МГц |
P (иногда включается в L-диапазон) |
230÷1000 МГц |
L |
1÷2 ГГц |
S |
2÷4 ГГц |
C |
4÷8 ГГц |
X |
8÷12,5 ГГц |
Ku |
12,5÷18 ГГц |
K |
18÷26,5 ГГц |
Ka |
26,5÷40 ГГц |
Миллиметровые волны |
Свыше 40 ГГц |
Так, например, “. . .первые РЛС K-диапазона, разработанные в период второй мировой войны в лаборатории излучений Массачусетского технологического института, работали на центральной частоте 24 ГГц (длина волны 1,25 см). Это был плохой выбор, так как вскоре было обнаружено, что эта частота слишком близка к резонансной частоте водяного пара (22,2 ГГц), на которой возникает сильное поглощение. Позднее K-диапазон был подразделён на два диапазона по обе стороны от частоты водяного поглощения. . .” – Ku и Ka ([3]).
Часть 1
АНТЕННЫ