Роль и место АФУ и РРВ в системе электрической связи

(при проведении экспериментальных исследований);

Способы представления ХН:

2) аналитический (с помощью математических выражений);

3) графический (с помощью диаграмм направленности).

соседними направлениями минимального излучения.

Главный лепесток – лепесток ДН,
в пределах которого излучение антенны максимально

Задний лепесток – лепесток ДН, направленный противоположно главному лепестку.

Боковой лепесток – любой лепесток ДН между главным и задним.

 

Уровень боковых лепестков (УБЛ) – отношение мощности излучения в направлении бокового лепестка к мощности в направлении главного лепестка.

излучения.

эталонной выбрана изотропная антенна, расположенная в свободном пространстве.

 

КСВ.

 

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, от англ. Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) – отношение наибольшего значения амплитуды напряжения в линии передачи к наименьшему.

 

 

 

 

 

 

 

– сопротивление излучения;

– сопротивление потерь;

 

 

 

бесконечно большая длина;
- отсутствие отражения от ее конца.

 

2. Режим стоячих волн

 

 

отраженная ═►

◄═ падающая

 

 

провода, в середине которого в разрез включен источник ЭДС высокой частоты.

 

Распределение тока в проводнике:

СВ в логарифмическом масштабе:

 

 

 

поверхностью, соединяемый одним концом с фидером, второй вывод которого соединяется с токопроводящей поверхностью.
Штыревая антенна (ША) – антенна, изготовленная на базе НСВ.

 

ХН несимметричного вибратора:

Для анализа особенностей работы НСВ применяется метод зеркальных изображений, позволяющий представить его в виде СВ.

Задача НСВ – излучение ЭМВ вдоль поверхности земли, поэтому в англоязычной литературе антенны на базе НСВ называются – антенны GP (Ground Plane).

одной оси.

Основная задача, решаемая в коллинеарных антеннах, – компенсация встречных полуволн тока в проводнике.

к индустриальным помехам
- входное сопротивление в 4 раза больше чем у сим. вибр. (обычно 300 Ом), что упрощает согласование с фидером;
- регулировка входного сопротивления осуществляется подбором радиуса проводников.

Петлевой вибратор (вибратор Пистолькорса, шлейф-антенна) — представляет собой систему из двух параллельных короткозамкнутых на концах проводников, расположенных на небольшом относительно длины волны расстоянии друг от друга.

в плечах ДЛ и создаваемое ЭП

Распределение токов и ЭП после изменения формы
ДЛ в точках B, E

В центре проводника образуется узел напряжения, что позволяет заземлить его на конструкцию мачты.

сбоку)

где:

 

- отношение амплитуд;

 

- разность фаз.

ХН системы из двух активных вибраторов:

 

Система из двух параллельных СВ
(вид сверху)

Расстояние до точки наблюдения Р:

 

ЭМП системы излучателей:

 

 

− волновое число.

а косвенным способом.

Система из активного и пассивного настроенных вибраторов была предложена Татариновым Владимиром Васильевичем.

Им разработана первая самолетная антенна и первая коротковолновая направленная антенна с пассивным зеркалом

Множитель системы для активного и пассивного вибраторов:

 

функций:
а) рефлектора – пассивного вибратора, обеспечивающего синфазное сложение ЭМВ активного и пассивного вибраторов в направлении от пассивного к активному (Р → А);
б) директора – пассивного вибратора, обеспечивающего синфазное сложение ЭМП активного и пассивного вибраторов в направлении от активного к пассивному (А → Д).

или антенна Яги
(изобретение японских ученых Hidetsugu Yagi и Shintaro Uda, 1926 год).

АВК – антенна продольного излучения, состоящая из группы параллельных
линейных вибраторов, укрепленных на общей штанге.

 

Yagi-Uda Antenna

бесконечно большая длина;
- отсутствие отражения от ее конца.

2. Режим стоячих волн

 

 

отраженная ═►

◄═ падающая

 

 

1. Логопериодическая антенна (ЛПА)

параллельно расположенных вибраторов с линейным нарастанием их длин и взаимных расстояний, питание к которым подводится со стороны наиболее короткого вибратора с помощью собирательной двухпроводной линии.

Предложили: Raymond H. DuHamel, Dwight E. Isbell

Log-periodic dipole array или LPDA

3/12

ОБ).

Антенна Бевереджа представляет собой одиночный провод в режиме бегущей волны тока, расположенный над плоской проводящей поверхностью, и нагруженный на дальнем конце на активное сопротивление.

Применение: приемная антенна в подвижных
КВ-радиостанциях

За рубежом принято название LW (long wire — длинный провод)

двух горизонтальных расходящихся проводов с бегущей волной тока, расположенных под острым углом 2φ0.

Для того чтобы поля обоих проводов в главном направлении складывались в фазе, угол 2φ0 выбирается равным удвоенному углу θгл отклонения главного лепестка ДН одиночного провода от оси этого провода.
Достоинства: широкополосность.
Недостатки: наличие значительных по уровню боковых лепестков; низкий КПД вследствие включения двух нагрузочных сопротивлений.

высота подвеса составляет 12 м.

Наклонная V-образная антенна

Зависимость параметров V-образной антенны от длины волны:
– для λ = 10 м и 2φ0 = 30°, Gmax ≈ 10;
– для λ = 30 м и 2φ0 = 60°, Gmax ≈ 4;
– для λ = 70 м и 2φ0 = 90°, Gmax ≈ 1.

Для получения максимального КУ антенны на каждой рабочей частоте необходимо выбирать оптимальный угол 2ϕ0, величина которого с ростом частоты должна уменьшаться.

Обозначение антенны:

 

V-образных горизонтальных антенн, соединённых встречно, последовательно одна за другой.

Питание подводится к одному из острых углов ромба, а активное нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению ромба, подключено к противоположному острому углу. Принцип выбора острого угла 2φ0 между проводами аналогичен его выбору для V-образной антенны.

Предложена американским инженером Брюсом в 1931 г.

ромба в строительных длинах волн; b=H/λ0 – высота подвеса антенны в строительных длинах волн; λ0 – длина волны на средней частоте рабочего диапазона; l – длина стороны ромба (50-150) м; h – высота подвеса ромба над поверхностью земли (15-30 м).

Горизонтальная ромбическая антенна

Обозначение антенны:

Коэффициент перекрытия РГ составляет 2,5-3.

Например, антенна с φ = 65°;ℓ = 4λ0,H = λ0 обозначается:

 

 

 

(2000-3000 км)

(600-1000 км)

(>3000км)

антенны РГ:

 

 

 

 

- высота подвеса:

- длина плеча:

- половина острого угла:

где λmin (fmin) и λmax (fmax) – минимальная и максимальная длины волны
(частота) радиолинии.

Входное сопротивление антенны равно волновому сопротивлению ромбической антенны у входных зажимов (600 700 Ом):

 

где a – радиус провода антенны

т. д.): линия передачи может быть частью фидера или же ее частным случаем (при отсутствии вспомогательных устройств).
Не является фидером линия передачи, не соединённая с антенной, передатчиком или приемником, или используемая в иных целях.

Фидер (от англ. feeder, to feed — питать) — электрическая цепь (линия передачи) и вспомогательные устройства (соединители, вентили, фазовращатели и т. д.), с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередающего устройства (РпдУ) к антенне (Ант) или от нее к радиоприёмному устройству (РпрУ).

Радиочастотный сигнал (радиосигнал) – сигнал в виде радиоволны или сигнал в электрической цепи на частоте радиоволны.

1. Назначение фидерных линий и требования к ним.

Фидер

РпдУ/РпрУ

Соеди-нитель

Ант

Соеди-нитель

Линия передачи

допуская собственного излучения.

Общие требования к фидерам:
- минимальные потери энергии передаваемого сигнала;
- отсутствие антенного эффекта;
- минимальные искажениями сигналов;
- передача требуемой мощности без электрического пробоя;
- передача сигналов в заданном диапазоне частот;
- простота конструкции и удобство эксплуатации;
- минимально возможная стоимость.

Виды потерь в фидере:
а) потери на нагревание проводов, изоляторов и окружающей среды (различного рода предметов);
б) потери вследствие излучения.

Способы снижения потерь:
а) применение проводников с высокой проводимостью, специальных высокочастотных изоляторов, а также удаление открытого фидера от земли и окружающих предметов;
б) применение симметричных фидеров с близкорасположенными друг к другу проводниками, несущими противофазную волну, применение экранированных фидеров.

поверхностей: нулевой связности, односвязные, двухсвязные, трехсвязные, многосвязные.

Открытая ЛП – поперечное сечение не имеет замк­нутого проводящего контура, охватывающего область распростра­нения ЭМЭ.

Закрытая ЛП – поперечное сечение в виде замкнутого прово­дящего контура, охватывающего область распространения ЭМЭ.

Направляющая система, у которой в продольном направлении неизменны параметры заполнения (ε, μ и σ) и поперечное сечение называется регулярной.

ЛП называются однородными, если параметры заполнения (ε, μ, σ) неизменными во всем объеме.

2. Типы фидерных линий и их устройство.

2.1. Классификация линий передачи
по электрическим характеристикам.

закрытая.

5. Прямоугольный (круглый) волновод –

6. Коаксиальный кабель –

двухсвязная закрытая.

7. Двухпроводная экранированная –

трехсвязная закрытая.

4. Четырехпроводная –

многосвязная открытая.

Примеры ЛП:

задач является организация режима бегущей волны от передатчика к фидеру и далее к антенне.

РпдУ

Антенна

Фидерная линия

Для максимальной передачи ВЧ-мощности необходимо, чтобы Ri = Zв = Rа.

Rа

Zв

Ri

Под согласованием подразумевается преобразование сопротивления нагрузки линии Ra, которой в данном случае является антенна, в сопротивление, равное волновому сопротивлению линии Zв, в результате чего в линии установится режим бегущей волны.

СУ

Для этого между фидерной линией и антенной устанавливается согласующее устройство.

Показателем, оценивающим режим бегущей волны, является КБВ:
- в передающих антеннах обычно КБВ ≥ 0,7;
- в приёмных антенна КБВ ≥ 0,3...0,5.

КСВ ≤ 1,4

КСВ ≤ 2…3,3

случае, когда антенна имеет чисто активное входное сопротивление Rа, не равное волновому сопротивлению фидера Zв.

2. Согласование на фиксированной частоте.

2.1. Согласование с помощью четвертьволнового трансформатора

На входе антенны включается дополнительный отрезок линии длиной в четверть длины волны с волновым сопротивлением:

Такое согласование активных сопротивлений практически осуществляется лишь в том случае, когда согласуемые сопротивления активны и отличаются по величине в несколько раз.

Другое название: Q-трансформатор
(от англ. Quarter-wave – четверть волны)

согласования сопротивления фидера с антенной, имеющей любое (в том числе, комплексное) входное сопротивление, но не равное волновому сопротивлению фидера, разработал В.В. Татаринов в 1931 году. Этот способ нашёл широкое распространение в антенно-фидерной технике в диапазонах КВ и УКВ.

На схеме, входное сопротивление антенны Zа является комплексным и не равно волновому сопротивлению фидера Zв. На этом же рисунке изображено распределение напряжения U вдоль фидера с максимумом Umax в некотором сечении ББ.

Перемещаясь вдоль фидера можно найти такое сечение ВВ при подключении к которому реактивного шунта, например в виде короткозамкнутого отрезка линии длиной y0, в фидере на длине от генератора до сечения ВВ устанавливается режим бегущей волны.

(сечение ББ) до точек подключения шлейфа (сечение ВВ) выбирается таким, чтобы активная составляющая G проводимости линии равнялась величине 1/Zв, обратной волновому сопротивлению фидера.

Имеющаяся реактивная составляющая B проводимости компенсируется выбором длины с соответствующей реактивной проводимостью Bш шлейфа

B результате сопротивление линии ZBB в сечении ВВ (измеренное от генератора в сторону антенны) становится равным волновому сопротивлению фидера. Таким образом, нагрузка оказывается согласованной с фидером.

трансформаторы;
- неоднородные линии или плавные переходы.

Принцип частотной компенсации состоит во взаимной компенсации частотных изменений сопротивления нагрузки и согласующих элементов. Он применим в том случае, когда значение активной части сопротивления нагрузки Rн близко к волновому сопротивлению линии Zв, а рассогласование линии обусловлено большим изменением реактивности нагрузки. Эти изменения можно компенсировать подбором закона частотного изменения сопротивления согласующих элементов.

имеющей небольшую реактивную составляющую.
Ступенчатые трансформаторы представляют собой каскадное включение отрезков линий передачи, имеющих одинаковую длину ℓ, но различные волновые сопротивления.
Волновые сопротивления соседних ступенек отличаются на небольшую величину, и отражения от них невелики.

Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдутся хотя бы две ступеньки, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания.

как предельный случай ступенчатого перехода при увеличении числа ступенек n до бесконечности и неизменной длине перехода.

Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. При повышенных требованиях к электрической точности плавный переход предпочтительнее ступенчатого.

На практике наиболее часто применяются:
экспоненциальный переход;
чебышевский переход;
вероятностный переход, который является предельным случаем ступенчатого перехода с максимально плоской характеристикой.

плечом вибратора, подключенным к центральной жиле, и внешней оплеткой коаксиального кабеля возбуждает в них паразитные токи.

Появление тока на внешней оплетке кабеля приводит:
- к дисбалансу токов в фидере и, как следствие, к появлению антенного эффекта;
- к нарушению симметрии распределения токов в плечах вибратора;
- к искажению диаграммы направленности антенны.

Подключение двухпроводной воздушной фидерной линии к симметричной антенне

Для подключения антенн в диапазоне УКВ из-за значительного антенного эффекта вместо открытых фидерных линий применяются экранированные. Коаксиальный кабель прост по конструкции и обходится дешевле, чем экранированный двухпроводный.

называемые СИММЕТРИРУЮЩИМИ.

В технической литературе симметрирующее устройство, преобразующее электрический сигнал из симметричного в несимметричный и наоборот обозначается термином БАЛУН (от англ. BALUN – BALanced-UNbalanced).

Симметрирующее устройство – обеспечивает электрическую симметрию распределения ВЧ-токов в плечах антенны относительно оболочки коаксиального кабеля.

В данных устройствах также может решаться задача согласования (трансформации) сопротивлений кабеля и антенны.

длиной λε/2 (где λε – длина волны в диэлектрике).

Общее сопротивление нагрузки на зажимах AЗ определяется, как Zа = ZАБ /4, т.е. входное сопротивление вибратора, пересчитанное через U-колено, независимо от волнового сопротивления последнего уменьшается в 4 раза.

Фазовый сдвиг 180°

Rа.сим=4·Zф.несим

Zф.несим

сопротивление обычного U-колена со стороны антенны составляет Ra = 4Zo, где Zo – волновое сопротивление общего кабеля питания.
То есть Ra = 200 Ом при 50-ти омном питающем кабеле, и Ra = 300 Ом при кабеле 75 Ом.
Если теперь на оба антенных выхода U-колена включить по λ/4 трансформатору, то можно преобразовать высокое выходное сопротивление U-колена в низкое, более удобное.

Точками A и B обозначены высокоомные выходы U-колена, одновременно являющиеся входами λ/4 трансформаторов. Точки С и D – выходы этих же трансформаторов, и всего устройства в целом.
Модифицированным U-коленом можно симметрировать и одновременно согласовывать антенны с низкими Ra (например, антенна волновой канал).

четверть волны, охватывающий с зазором внешнюю оболочку кабеля и припаянный нижней кромкой к этой оболочке.
Верхняя часть цилиндра не соединяется с оболочкой и может быть закрыта от метеорологических воздействий диэлектрической шайбой.
Внутренняя поверхность цилиндра и наружная цилиндрическая поверхность кабеля образуют коаксиальную четвертьволновую линию, короткозамкнутую на конце, входное сопротивление которой (на зажимах 2, 3) при достаточно большом её волновом сопротивлении линии будет очень велико.

симметричный фидер

Четвертьволновый стакан так же, как и U-колено, является весьма узкополосным, поскольку его глубина связана с длиной рабочей волны.

Разрезной симметрирующий трансформатор

и материалом, заполняющим пространство между проводами.
В линии, нагруженной на конце на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению, устанавливается режим бегущей волны и отсутствуют отражения от конца линии.

 

 

 

 

- четырехпроводная неперекрещенная линия:

 

- четырехпроводная перекрещенная линия:

 

- коаксиальная линия:

 

 

- двухпроводный экранированный фидер:

 

14/18

определяется активными потерями:

 

Пример, для двухпроводной воздушной линии из медных проводников диаметром 3,5 мм, расположенных на расстоянии 350 мм на длине волны 16 м:

 

15/18