Основы радиосвязи и телевидения

Основы радиосвязи и телевидения

Учебное пособие

Рецензенты: доктор техн. наук., профессор С. П. Новицкий, доктор техн. наук., профессор И. Н. Пустынский

Мамчев Г. В.

М22 Основы радиосвязи и телевидения. Учебное пособие для вузов.–

М: Горячая линия-Телеком, 2007. -416 с.: ил.

ISBN 5-93517-267-4

Рассмотрены общие принципы передачи сигналов по радиотрактам, основные характеристики сигналов телевизионного вещания, принципы построения систем передачи изображений, основные узлы телевизионного оборудования, стандарты цветного телевидения, способы формирования и передачи сигналов изображения высокой четкости, методы оценки качества передачи изображений, перспективные системы телевизионного вещания.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности 210404 - «Многоканальные телекоммуникационные системы» направления подготовки дипломированного специалиста 210400 - «Телекоммуникации».

ББК 32.841

Адрес издательства в Интернет WWW. TBCHBOOK.RU

Учебное издание

Мамчев Геннадий Владимирович

ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Учебное пособие

Редактор и. н. Алексеева

Корректор Е. Н. Мартьянова

Художник В. Г. Ситников

Подготовка оригинал-макета И. Н. Алексеевой

Лицензия ЛР № 071825 от 16.03.99 г.

Подписано к печати 12.08.2006. Формат 60х88¹/, _в.

Уел. печ. л. 26. Изд. № 6267. Тираж 2000 экз.

Заказ № 6973.

Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО ордена «Знак Почата» «Смоленская областная типография им. В. И. Смирнова» 214000, г Смоленск, проспект им. Ю. Гагарина, 2.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В соответствии с принятым в 2000 г. Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ГОС ВПО) второго поколения по специальности 210404 - «Многоканальные телекоммуникационные системы» направления подготовки дипломированного специалиста 210400 - «Телекоммуникации» в цикле специальных дисциплин предусматривается изучение курса «Основы радиосвязи и телевидения».

Данная дисциплина предполагает изучение: общих принципов передачи сигналов по радиотрактам; основных характеристик сигналов телевизионного вещания; принципов построения систем передачи изображений; основных узлов телевизионного оборудования; стандартов цветного телевидения; способов формирования и передачи сигналов изображения высокой четкости; методов оценки качества передачи изображений; перспективных систем телевизионного вещания.

Сложность и многообразие современной аппаратуры радиосвязи и телевидения делают обязательным условием усвоения материала курса «Основы радиосвязи и телевидения» прочное знание студентами предусмотренных ГОС ВПО и изучаемых ранее курсов: «Физика», «Электромагнитные поля и волны», «Физические основы электроники», «Электроника», «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей», «Основы теории цепей», «Теория электрической связи».

К сожалению, специальной учебной литературы, доступной для студентов, в которой бы нашла отражение современная техника радиосвязи и телевидения, явно недостаточно. Поэтому издание подготовленного профессором Г.В. Мамчевым учебного пособия «Основы радиосвязи и телевидения» весьма актуально.

Содержание учебного пособия отвечает современным достижениям науки и техники - как отечественной, так и зарубежной. В учебном пособии нашел отражение многолетний опыт преподавания курса «Основы радиосвязи и телевидения», накопленный на кафедре радиовещания и телевидения Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

ВВЕДЕНИЕ

В конце XIX века были открыты и исследованы свойства невидимых электромагнитных волн, способных распространяться на большие расстояния. Эти волны были названы радиоволнами. Обобщая обширный опытный материал, собранный естествоиспытателями, английский физик Джеймс Максвелл создал в 60-х годах XIX века теорию электромагнитного поля, установившую общую природу световых и радиоволн, а также открыл законы их распространения. В дальнейшем были изучены другие виды излучения: ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское и т.п. Исследования показали, что несмотря на различие ряда свойств этих видов излучения их природа одна и та же: все они представляют собой электромагнитные волны, а особенности их физических проявлений определяются различием в длине волны.

В 1886-1888 годах немецкий физик Генрих Герц экспериментально подтвердил основные выводы теории Максвелла, показав, что законы распространения, отражения и преломления радиоволн аналогичны законам распространения света. Это послужило толчком к интенсивным исследованиям в отношении использования радиоволн для нужд связи.

Важнейшим свойством переменного электромагнитного поля является то, что оно не локализуется в месте возникновения. От точки, где оно возникло, возмущение начинает распространяться во все стороны в окружающее пространство, порождая электромагнитные волны, подобно тому, как всплеск воды от камня, брошенного в пруд, создает разбегающиеся по его поверхности круги.

Электромагнитные волны являются носителями энергии. За счет лучистой энергии, приносимой ими с поверхности Солнца, существует жизнь на Земле. Следовательно, создание электромагнитного излучения должно явиться результатом процессов преобразования энергии. Такое преобразование произойдет, например, если заставить электрон двигаться с ускорением. Энергия, затрачиваемая устройством, вынуждающим электрон двигаться с ускорением, превращается в энергию электромагнитного излучения.

В радиотехнике основное практическое применение нашел метод использования ускоренного движения свободных электронов, находящихся в огромном количестве в телах проводников.

Очевидно, что создать ускоренное движение электронов в одном направлении длительно практически невозможно, поэтому приходится ускорение в одном направлении сменять замедлением, т.е. ускорением в противоположном направлении. Подобный цикл может быть повторен неоднократно. Это можно осуществить путем присоединения каких-либо проводников к зажимам источника переменной ЭДС, под действием которой свободные электроны проводника начинают совершать колебательное движение, создавая электромагнитное излучение в окружающем пространстве. Такой проводник, преобразующий энергию источника переменной ЭДС в энергию электромагнитных волн, называется передающей антенной.

Теория Максвелла позволила установить, что скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо среде V = с/ , где с - скорость распространения света в вакууме; - диэлектрическая, а µ- магнитная проницаемости среды. Для воздуха µ = ε = 1, а скорость распространения электромагнитных волн близка к скорости света в вакууме: V = с ≈ 300 000 км/с.

Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние λ, называемое длиной волны, т.е. минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение. Длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне.

История развития техники как радиопередающих, так и радиоприемных устройств берет начало 7 мая 1895 г., когда русским физиком и электротехником А.С. Поповым были построены и продемонстрированы первые радиоустройства, а в 1897 г. запатентованы итальянским изобретателем Г. Маркони. В марте 1896 г. впервые в мире А.С. Попов осуществил радиопередачу осмысленного текста «Генрих Герц» на расстояние 250 м. В дальнейшем для увеличения дальности радиосвязи А.С. Попов применил антенну на передатчике, и к 1897 г. ему удалось перекрыть связью расстояние до 5 км, а к 1899 г. - до 45 км. В радиопередатчике А.С. Попова использовался единственно известный в то время принцип получения колебаний высокой частоты - с помощью искрового разряда. Отсюда название таких радиопередатчиков - искровые.

Наряду с совершенствованием искровых радиопередатчиков во втором десятилетии XX века для генерации колебаний высокой частоты начали широко использоваться устройства, основанные на применении других принципов. Так, были получены незатухающие высокочастотные колебания в резонансном контуре, присоединенном параллельно к вольтовой дуге (дуговые радиопередатчики). В этих передатчиках использовалось наличие падающего участка вольтамперной характеристики дуги, соответствующего отрицательному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в контуре генератора сопротивление потерь, и в нем возникают незатухающие колебания. Радиотелеграфные сигналы передавались изменением частоты высокочастотных колебаний с помощью замыкания и размыкания части витков катушки индуктивности колебательной системы. Незатухающие колебания генерировались также с помощью электромашины высокой частоты (машинные радиопередатчики).

Машинные и дуговые радиопередатчики к концу 1914 г. практически полностью вытеснили искровые. В нашей стране были построены мощные дуговые передатчики под руководством В.М. Лебедева и М.В. Шулейкина. Один из них мощностью 110 кВт был установлен в 1920 г. в Москве.

Как дуговые, так и машинные радиопередатчики имели ряд существенных недостатков: сложность генерирования, усиления и управления высокочастотными колебаниями в широком диапазоне частот и мощностей, низкая стабильность частоты, сложность проектирования и изготовления. Поэтому к 30-м годам прошлого столетия дуговые и машинные радиопередатчики были полностью вытеснены ламповыми.

Первые ламповые радиопередатчики появились в 1914-1916 годах. Первые отечественные генераторные лампы были созданы в 1914 г. Н.Д. Папалекси. В развитии и распространении ламповых передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолаборатория, созданная в 1918 г.

Уже в 1930-х годах и особенно в 1940-е годы началось интенсивное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов удалось осуществить высококачественную передачу телевизионных изображений, внедрить в практику частотную модуляцию, широко использовать для передачи сообщений радиорелейные и спутниковые линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало создания новых электронных приборов для усиления и генерирования сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ). В частности, были разработаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны, лампы бегущей волны.

Качественно новый этап развития техники радиоприемных устройств, как и радиопередающей аппаратуры, начался с применения электронных ламп - диода (1904 г.), использовавшегося преимущественно в качестве детектора, и особенно триода (1907 г.), применение которого для усиления мощности принятых сигналов обеспечило многократное повышение чувствительности ламповых приемников по сравнению с детекторными.

В 1918 г. был разработан обладающий значительными преимуществами супергетеродинный метод приема, однако его широкое внедрение стало реальным только с появлением в тридцатые годы прошлого столетия экранированных ламп - тетродов, пентодов, и других многосеточных усилительно-преобразовательных ламп. С начала 1930-х годов этот метод приема является основным во всем радиодиапазоне волн.

В этот же период в связи с перегруженностью освоенных радиодиапазонов и потребностями высококачественного телевизионного вещания усиленно изучался и осваивался диапазон ультракоротких волн (УКВ), для повышения качества и надежности радиоприема разрабатывались эффективные методы модуляции и борьбы с помехами.

В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возникло новое направление, основанное на изучении и использовании различий в статистических характеристиках сигналов и помех с помощью методов теории передачи информации. Одним из важнейших достижений на этом направлении было создание в 1946 г. теории потенциальной помехоустойчивости приема, на базе которой развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем, оптимальных по помехоустойчивости.

В 1950-е годы начался новый этап развития техники радиоприема на основе достижений полупроводниковой электроники. Широкому внедрению полупроводниковых приборов способствовало изобретение в 1947 г. транзистора. Быстрый процесс «транзисторизации» привел к вытеснению электронных ламп из радиоприемной аппаратуры умеренно высоких частот, а разработка малошумящих полупроводниковых параметрических усилителей и появление туннельного диода, также использовавшегося для малошумящего усиления, вытеснили электронные лампы в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. Замена ламп транзисторами в технике радиопередающих устройств вызвана значительными преимуществами этих приборов: малыми массой и габаритными размерами, мгновенной готовностью к работе, долговечностью, низковольтным питающим напряжением. В настоящее время транзисторы используются как в маломощных радиопередатчиках и возбудителях, так и в передатчиках средней мощности. При этом наряду с биполярными в передающих устройствах применяют полевые транзисторы. По мере разработки все более высокочастотных генераторных транзисторов создаются радиопередатчики с использованием транзисторов, работающих на частотах до нескольких гигагерц.

В 1960-х годах начинает развиваться микроэлектроника, а 1980-е годы характеризуются широким внедрением в радиоприемных устройствах сначала аналоговых, а затем и цифровых интегральных микросхем, что наряду с дальнейшим повышением надежности и улучшением других технических показателей радиоприемников позволило осуществлять сложные методы приема и обработки сигналов.

Фактически одновременно с развитием техники радиосвязи разрабатывались первые телевизионные системы.

Термин «телевидение» возник в 1890 г. Его впервые употребил на Международном конгрессе в Париже русский инженер-электрик К.Д. Перский в докладе «Электрическое телевидение».

Человек живет в макромире, воспринимая его, главным образом, через зрение. Окружающий мир люди воспринимают трехмерным, в красках и динамике. И только вековая привычка позволяет людям довольствоваться двумерным изображением объемных объектов, воспроизводимых весьма распространенными и признанными видами искусства и техники (живопись, фотография, кино, телевидение).

Конечным индикатором при телевизионной передаче является глаз, поэтому телевизионная система должна строиться с учетом нашего зрительного органа. Например, в основу построения телевизионных систем положены временная и пространственная дискретность глаза. При этом задача телевидения заключается в передаче на расстояние с помощью радиотехнических устройств изображений объектов и в одновременном воспроизведении их на экране телевизионных приемников. С этой целью оптическое изображение преобразуется в электрические сигналы, затем электрические сигналы передаются по каналу связи и на приемной стороне вновь преобразуются в оптическое изображение. Таким образом, телевидение является наукой об электрических способах передачи визуальной, т.е. зрительной информации. Роль телевидения в современных средствах доставки информации человеку является весьма значительной и непрерывно растет, так как в общем случае через зрительные органы чувств человеку поступает около 80% всей информации.

Большой вклад в решение проблемы телевидения внесли отечественные ученые. Особенно велики заслуги русских ученых А.Г. Столетова, установившего в 1888-1890 годах основные законы внешнего фотоэлектрического эффекта, изобретателя радио' А.С. Попова, П.И. Бахметьева, предложившего в 1880’г. независимо от португальца А. де Пайва и француза К.М. Сенлека идею последовательной передачи изображения по элементам, которая используется в современном способе телевизионной развертки. Очень значителен вклад Б.Л. Розинга, разработавшего в 1907 г. систему «катодной телескопии» с использованием электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для воспроизведения изображения и осуществившего в 1911 г. одну из первых в мире телевизионных, передач. Работы А.А. Чернышева, А.П. Константинова, С.И. Катаева, П.В. Шмакова, П.В. Тимофеева, Г.В. Браузе были положены в основу создания телевизионных передающих трубок.

Первые практические телевизионные системы были осуществлены в 1925 г. Дж. Бердом в Великобритании и Ч.Ф. Дженкинсом в США, а в 1926 г. Л.С. Терменом в нашей стране. В 1926 г. Д. Бердом были организованы опытные телевизионные передачи с помощью радиостанции вблизи Лондона с четкостью 30 строк. В нашей стране экспериментальные передачи телевизионного изображения с малым числом строк разложения (всего 30 строк при 12, 5 кадрах в секунду) из Москвы в Санкт-Петербург были проведены в октябре 1931 г. под руководством П.В. Шмакова. Первые действующие телевизионные системы были механическими, использующими диск Нипкова для развертки изображений. Основным недостатком подобных систем являлась низкая четкость воспроизведения изображений. Принципиальные недостатки телевизионных систем механического типа не позволяли улучшить качество получаемых изображений, избавиться от вращающегося диска, находящегося непосредственно перед телезрителями.

Однако уже в тридцатые годы прошлого столетия в ряде стран были созданы предпосылки для развития электронного телевизионного вещания. Например, в нашей стране в 1937 г. было завершено строительство двух телецентров электронного типа: в Санкт- Петербурге - полностью на отечественном оборудовании со стандартом разложения 240 строк и в Москве - на зарубежном оборудовании со стандартом 343 строки. С 1948 г. началось вещание Московского телецентра по стандарту разложения 625 строк.

Важным этапом в развитии телевидения явилось внедрение цветного телевизионного вещания, регулярные передачи которого в нашей стране начались 1 октября 1967 г. по системе SECAM-III.

Наибольшее распространение телевидение нашло в гуманитарной сфере человеческой деятельности, а именно в сфере телевизионного вещания, которое является наиболее массовым средством информации, культуры, образования. В то же время, все более широкие масштабы принимает использование телевидения в научных исследованиях, в промышленности, на транспорте, в строительстве, в медицине и т.п. Например, в последние годы телевидение стало применяться в учебном процессе, что позволяет повысить качество преподавания и снизить материальные расходы на одного учащегося.

Исключительно важно значение телевидения в освоении космического пространства. Началом использования телевидения в космических исследованиях следует считать 7 октября 1959 г. В этот день с помощью фототелевизионной аппаратуры, установленной на космической станции «Луна-3», впервые в истории было произведено фотографирование и осуществлена передача на Землю изображения обратной стороны Луны. Во всех последующих полетах космических кораблей неизменным помощником ученых было телевидение. Оно использовалось для наблюдений за жизнедеятельностью космонавтов, находящихся как внутри, так и вне корабля; при передаче на Землю телевизионных изображений поверхностей Луны и Марса; для наблюдения с искусственных спутников Земли (ИСЗ).

В ближайшем будущем телевидение перейдет на новую качественную ступень развития. В первом десятилетии двадцать первого века аналоговое телевидение со всеми присущими ему искажениями станет частью истории, поскольку наземные, спутниковые и кабельные системы передачи, по которым происходит доставка телевизионных программ телезрителям, постепенно переходят на цифровые методы. Применение цифровых методов обработки, передачи и консервации телевизионных сигналов позволяет не только повысить качество воспроизводимых изображений, но и обеспечить высококачественное звуковое сопровождение. Цифровые телевизионные системы открывают широкие возможности для создания многопрограммного телевизионного вещания, в том числе и в сети Интернет, способствуют внедрению телевидения высокой четкости (ТВЧ), позволяют придать телевидению интерактивный характер.

Важным шагом в развитии цифрового телевизионного вещания в нашей стране явилось решение Правительства РФ от 25 мая 2004 г. о внедрении в России европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video, Broadcasting - цифровое видеовещание).

В настоящее время значительные усилия прилагаются для строительства эффективных сетей распределения телевизионных программ различного уровня (федеральных, региональных, местных). Например, для цифровой передачи телевизионных программ в отдельные регионы страны планируется использовать магистральные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), для некоторых телевизионных программ организовано дополнительное вещание через сеть Интернет, началось строительство сотовых систем телевидения. В ряде городов нашей страны уже построены первые кабельные мультисервисные сети, которые являются системами широкополосного доступа. В данном случае абоненты, подключенные к такой сети, способны принимать с высоким качеством большое количество телевизионных программ, имеют возможность подсоединения к различным компьютерным сетям, обеспечены высокоскоростным доступом к сети Интернет.

ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ

Излучение радиоволн

Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее пространство. Излучение зарядом электромагнитной волны можно пояснить следующим образом. Рассмотрим два проводящих шара, находящихся на расстоянии L друг от друга (рис. 1.3) [1]. Такая система называется электрическим диполем. После выключения генератора шары будут заряжаться и разряжаться. При этом по проводу L протекают токи зарядки и разрядки емкости, образованной шарами. Емкость шаров много больше емкости отрезков ab и cd провода L, поэтому током смещения между отрезками провода можно пренебречь. Можно считать, что ток проводимости, протекающий в проводе L, замыкается только через ток смещения, протекающий в пространстве между шарами. В этом случае амплитуда тока I вдоль провода L остается постоянной. Такой электрический диполь называют диполем Герца.

На рис. 1.3 графически изображено распределение амплитуды тока вдоль провода диполя. На этом же рисунке показаны силовые линии электрического поля диполя для момента времени, когда шары заряжены.

Рис. 1.3. Схема возникновения электромагнитной волны, излучаемой диполем Герца.

Линии тока смещения расположены в пространстве так же, как и линии электрического поля. При работе генератора переменный ток смещения вызывает появление переменного-магнитного поля, силовые линии которого окружают линии тока смещения. В свою очередь переменное магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызывает в окружающем пространстве появление переменного электрического поля и соответствующего тока смещения и т.д. Рассмотренный процесс распространяется в окружающей среде самоподдерживаясь. Если, например, выключить генератор, питающий диполь, то в окружающей среде продолжает распространяться возникшая электромагнитная волна - ток смещения вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает переменное электрическое поле и ток смещения в соседних областях пространства. Если генератор, возбуждающий диполь, генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону U= U_m sinω t, то и электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону с той же частотой ω.

Скорость распространения фазы электромагнитной волны называют фазовой скоростью. Фазовая скорость электромагнитной волны в диэлектрике равна

где µ - магнитная проницаемость среды; ε - диэлектрическая проницаемость среды.

В свободном пространстве ε = ε ₀= 8, 85·10^-12 Ф/м, µ = µ₀ = 4π ·10^-7Гн/м и \/_ф 3·10^-8 м/с, т.е. равна скорости света.

Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за время одного периода колебаний Т, называется длиной волны:

Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется фронтом волны. На больших расстояниях r от диполя при выполнении условия r > L фаза волны одинакова на поверхности сферы. Такая волна называется сферической.

Диполь Герца обычно в качестве антенны не применяют. Однако любую проволочную антенну можно представить состоящей из элементарных отрезков провода, в пределах каждого из которых амплитуда тока может считаться неизменной. Такой отрезок называют элементарным электрическим вибратором, аналогичным диполю Герца.

Строение атмосферы Земли

В земных условиях радиоволны распространяются в атмосфере. Атмосферу разделяют по высоте на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Нижняя область - тропосфера простирается до высоты 7... 10 км в полярных районах и до 16... 18 км над экватором. Тропосфера переходит в стратосферу, верхняя граница которой находится на высоте около 50...60 км. Стратосфера отличается от тропосферы почти полным отсутствием водяного пара, осадки образуются только в тропосфере. Тропосфера и стратосфера влияют только на распространение УКВ.

На высоте более 60 км воздух находится в ионизированном состоянии. Эту область называют ионосферой. Ионосфера в той или иной степени влияет на распространение радиоволн всех диапазонов, так как радиоволны вызывают в ней движение свободных зарядов. Главной причиной ионизации воздуха и образования ионосферы является излучение Солнца. Установлено, что ионизацию атмосферы могут вызвать только ультрафиолетовые лучи, имеющие длину волны меньше 0, 1 мкм. Ионизация атмосферы вызывается также потоком частиц (корпускул), испускаемых Солнцем. Коротковолновые ультрафиолетовые лучи и корпускулы не достигают тропосферы, и воздух в ней практически не ионизирован. Ионизация становится заметной на высотах более 50...60 км.

Эксперименты показали, что в ионосфере имеется несколько слоев, от которых происходит отражение радиоволн, т.е. существуют несколько максимумов электронной концентрации.

Рис. 1.4. Зависимость электронной концентрации в ионосфере от высоты.

На рис. 1.4 изображена типичная зависимость электронной концентрации N от высоты h для дневного времени летом, когда в ионосфере наблюдается наибольшее число слоев.

Рассмотрим особенности ионосферных слоев. Слой D образуется в области, где сравнительно велика плотность газа и рекомбинация свободных зарядов происходит быстро. Поэтому этот слой существует только днем и очень быстро исчезает после захода Солнца, когда прекращается ионизирующее воздействие. Летом критическая частота слоя D, под которой понимается наибольшая частота радиоволны, отражающейся при вертикальном падении на ионосферу, больше, чем зимой. Слой отражает мириаметровые, километровые и частично гектометровые волны, более короткие волны проходят через него, частично в нем поглощаясь.

Слой Е существует круглые сутки, но его электронная концентрация днем намного больше, чем ночью, и изменяется в соответствии с высотой Солнца над горизонтом. Слой Е днем, особенно летом, способен отражать дека метровые волны. Ночью декаметровые волны от слоя Е не отражаются. Гектометровые и более длинные волны отражаются от слоя в любое время года и суток.

Зимой выше слоя Е существует только один максимум электронной концентрации - слой F. Его концентрация достигает максимума после полудня и минимума - утром. Летом слой F расщепляется на два слоя – F₁ и F₂. Электронная концентрация в слое F₂ изменяется в течение суток менее сильно, чем в слое F зимой. Слой F отражает декаметровые и иногда длинные метровые волны.

Помимо изменений состояния ионосферы, связанных с временем года и суток, существуют также регулярные изменения, обусловленные цикличностью солнечной активности. В годы максимума солнечной активности критические частоты слоя F возрастают в 2-3 раза по сравнению с годами минимума.

Антенно-фидерные устройства

Антенны декаметровых волн

Чем короче волна, тем больше разнообразие используемых типов антенн. Для коротких волн (КВ) проводимость почвы ухудшается, и вследствие этого возрастают потери в заземлении. Поэтому на этих волнах обычно избегают использования заземленных вибраторов. Только около больших водных поверхностей или при расположении радиостанции на сырых почвах заземленные вибраторы дают хорошие результаты.

В диапазоне декаметровых (коротких) волн (10... 100 м) отношение длины антенны к длине волны может быть получено достаточно большим. Поэтому обеспечение большого сопротивления излучения и высокого КПД не вызывает затруднений. Более актуальным при построении коротковолновых антенн является вопрос о диаграмме направленности, к которой предъявляются следующие требования:

1. Она должна быть по возможности неизменной во всем диапазоне волн, в котором поддерживается связь в течение длительного времени. Это требование вызвано тем, что по условиям распространения приходится производить смену волн даже в течение одних суток связи. Антенны, имеющие неизменные диаграммы направленности в широком диапазоне частот, называются диапазонными, в отличие от настроенных.

2. Направление максимального излучения и приема должно быть таким, чтобы число отраженных волн от ионосферы и Земли было минимальным, так как каждый скачок волны сопровождается потерями энергии. Поэтому угол возвышения луча следует уменьшать по мере удлинения линии связи. Например, для линий протяженностью 600 км рекомендуется выбирать угол 30...45°, а для линий длиной 3000 км - 10...25°.

3. В связи с неустойчивостью состояния ионосферы направленное действие антенны не должно быть чрезмерно большим во избежание того, что излучаемая волна окажется вне сферы действия приемной антенны. Поэтому ширину угла диаграммы направленности коротковолновой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях рекомендуется устанавливать равной 10...30°.

4. Для ослабления влияния промышленных помех на радиоприем максимум диаграммы направленности приемной антенны не должен быть слишком близок к земной поверхности. С этой точки зрения в коротковолновых антеннах предпочтительнее применять горизонтальные вибраторы, а не вертикальные. Однако симметричный горизонтальный вибратор не рассчитан на работу в широком диапазоне частот, так как его входное сопротивление сильно зависит от частоты, что приводит к нарушению согласования с питающим фидером.

Входное сопротивление вибратора будет изменяться в меньших пределах, если уменьшить его волновое сопротивление. Это может быть достигнуто за счет увеличения диаметра излучающих проводов. В диполе С.И. Надененко (антенны типа вибратор горизонтальный диапазонный (ВГД)) плечи вибратора образованы системой из 6-12 проводов, расположенных по образующей цилиндра диаметром 1…3 м (рис. 1.20).

С изменением частоты входное сопротивление такого вибратора изменяется в небольших пределах и согласование с фидером обеспечивается в более широком диапазоне частот. Рабочий диапазон волн диполя С.И. Надененко составляет (1, 7...3, 3)l. Эта антенна находит применение на передающих и приемных станциях, если требуется слабонаправленная диапазонная антенна.

Симметричные вибраторы широко используются как элемент более сложных антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие многовибраторные антенны обеспечивают остронаправленные излучения и прием.

Рис. 1.20. Конструкция диполя С.И. Надененко

Рис. 1.21. Синфазная горизонтальная антенна

Антенная система состоит из горизонтальных полуволновых вибраторов, расположенных рядами в несколько этажей. Расстояние между этажами /2, а между вибраторами . Если токи во всех вибраторах возбуждаются в фазе, такую антенну называют синфазной.

На рис. 1.21 изображена синфазная горизонтальная антенна [2]. Рассмотрим, чем будет определяться диаграмма направленности такой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Предположим, что такая антенна используется как приемная. Диаграмма направленности каждого вибратора в вертикальной плоскости представляет собой окружность. На рис. 1.22 показаны горизонтальные полуволновые вибраторы, расположенные в два этажа (плоскость чертежа совпадает с вертикальной плоскостью) на расстоянии l= /2.

При достаточном удалении источника принимаемых волн линии r₁ и r₂, соединяющие вибраторы с этим источником, можно считать параллельными. Поэтому токи от вибраторов будут складываться в общей линии, присоединенной к ним. Если угол прихода (φ = 90°, то r₁ и r₂равны и токи складываются с одинаковой фазой. При φ ≠ 90° появляется разность расстояний r₁ и r₂, представленная на рис.1.22, а отрезком d. Если же d= , то токи в вибраторах окажутся в противоположных фазах, суммарный ток будет равен нулю и приема сигналов с этого направления не будет.

Таким образом, система из двух горизонтальных вибраторов, расположенных на разных высотах (этажах) относительно Земли, даст диаграмму направленности в вертикальной плоскости, изображенную на рис. 1.22, б сплошной линией. Чем больше этажей, тем eже диаграмма направленности.

Рис. 1.22. К пояснению влияния числа вибраторов на диаграмму направленности синфазной горизонтальной антенны в вертикальной плоскости:

а - расположение горизонтальных полуволновых вибраторов;

б - диаграмма направленности в вертикальной плоскости

Для магистральной связи в качестве приемных и передающих антенн применяются антенны с узкими диаграммами направленности в обоих плоскостях, содержащие 32 и более вибраторов. Коэффициент усиления этих антенн более 160. С изменением длины волны расстояние между этажами будет отличаться от значения 0, 5 . В результате вибраторы разных этажей будут питаться токами разных амплитуд и фаз. Все это искажает диаграмму направленности. Поэтому такие антенны могут применяться в узком диапазоне волн ( 1, 35 для двухэтажной; 1, 15 для четырехэтажной).

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒