ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 224
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
7.1 Антенно-фидерные устройства
67
Рис. 7.1 – Полуволновой вибратор (а) и его диаграмма направленности (б)
График диаграммы направленности представляет собой геометрическое место точек, расстояние от которых до центра координат пропорционально плотности потока мощности, излучаемой в данном направлении. При этом центр антенны помещают в центр координат. При приеме диаграмма направленности характери- зует зависимость наводимой ЭДС от направления пространственной ориентации антенны. Одной из характеристик направленности является коэффициент направ-
ленного действия D, определяемый как отношение плотности потока мощности
П
MAX
, излучаемой в направлении максимального излучения, к плотности потока мощности П, излучаемой точечным источником такой же мощности в том же на- правлении:
D
П
MAX
П
.
Диаграмма направленности симметричного вибратора приведена на рисун- ке 7.1, б. В плоскости, проходящей через ось проводника, диаграмма направлен- ности симметричного вибратора напоминает «восьмерку». Это означает, что в на- правлении оси «Х» плотность излучаемой мощности максимальна, а в направле- нии оси «Y» — минимальна. Направленные свойства симметричного вибратора вы- ражены слабо, и в достаточно широком секторе направлений — плотность потока излучаемой мощности изменяется незначительно.
Направленные свойства антенны можно усилить, если усложнить конструк- цию антенны дополнительными элементами. На рисунке 7.2, а приведено схе- матическое изображение антенны типа «волновой канал». Вибратор, к которому подключен источник переменного тока при передаче (или вход приемника при приеме), называется активным. Токи, протекающие в активной антенне при пе- редаче, создадут в окружающем пространстве электромагнитное поле. В антенне типа «волновой канал» на определенном расстоянии от активного вибратора A по- мещают пассивные вибраторы. Электромагнитное поле, созданное активным виб- ратором, наведет индукционные токи в пассивных вибраторах. В свою очередь, то- ки, протекающие во вторичных вибраторах, наведут в окружающем пространстве собственное электромагнитное поле. Взаимное расположение и размеры пассив- ных вибраторов выбирают таким образом, чтобы усилить результирующее поле в одном направлении и ослабить в другом. Пассивные вибраторы, в направлении которых от активного вибратора поле усиливается, называются директорами (Д
1
,
68
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ... 18
Глава 7. Оборудование каналов связи
Д
2
и Д
3
на рис. 7.2, б), вибратор, в направлении которого результирующее поле ослабляется, называется рефлектором (P).
Рис. 7.2 – Антенна типа «волновой канал» (а) и его диаграмма направленности в плоскости вибраторов (б)
Направленные свойства антенн можно использовать как для увеличения даль- ности связи (в направлении максимального излучения), так и для избирательного приема в пространстве (при этом различные средства связи могут работать в раз- ных пространственных секторах, не оказывая друг на друга мешающего влияния).
В рассмотренных выше вариантах антенн продольная ось вибратора распола- галась в плоскости, параллельной поверхности земли. Возможен также вариант вертикального расположения оси вибратора. В диапазонах радиоволн относитель- но низких частот Земля представляет собой хороший проводник электрического тока и вертикальный вибратор может быть представлен только одной половинкой.
Источник переменного тока включают между основанием вертикального вибрато- ра и Землей (рис. 7.3).
Рис. 7.3 – Несимметричный четвертьволновый вибратор (а) и его диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной вибратору (б)
Такая антенна называется несимметричной четвертьволновой вибраторной ан- тенной. В случае проводящей Земли в каждую точку окружающего надземного пространства приходит прямая волна непосредственно от антенны и волна, отра- женная от Земли. Эти волны будут наводить такое же электромагнитное поле, как и поле, наводимое полным симметричным вибратором, изолированным от Земли.
Результирующее электромагнитное поле над поверхностью Земли будет совпадать с полем, сформированным полуволновым вибратором, но с уменьшенной вдвое мощностью. Диаграмма направленности такой антенны в горизонтальной плос- кости представляет собой окружность: передачу (прием) можно вести с любого
7.1 Антенно-фидерные устройства
69
направления без ухудшения характеристик. Такие антенны применяются не только в диапазоне метровых волн, но и в диапазонах более длинных волн.
В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн для передачи электромаг- нитных колебаний используют волноводы (металлические трубы круглого или пря- моугольного сечения). Открытый конец такого волновода способен излучать в от- крытое пространство электромагнитную энергию. Однако резкое изменение усло- вий распространения электромагнитных колебаний на границе волновод — откры- тое пространство обуславливает плохие характеристики излучателя. Для улучше- ния направленных свойств антенны и согласования характеристик перехода среды распространения волновод — открытое пространство излучающий конец волново- да выполняют в виде рупора (рис. 7.4). Характеристики направленности рупорной антенны улучшаются с увеличением площади излучающей части рупора, называе- мой раскрывом антенны. И все же в качестве самостоятельного устройства рупор- ные антенны применяются крайне редко и более часто являются элементами более сложных антенн.
Рис. 7.4 – Рупорная антенна
Направленные свойства антенны можно улучшить с помощью зеркального от- ражателя специальной формы. Если в фокусе параболического рефлектора поме- стить излучатель, то отраженные от зеркала лучи будут концентрироваться в уз- ком секторе пространства (рис. 7.5). В данном случае площадь раскрыва антенны определяется размерами рефлектора, а направленные свойства антенны зависят от соотношения диаметра отражающего зеркала и длины волны излучаемого колеба- ния. Кроме рассмотренных, в технике связи используются также и другие типы антенн.
Рис. 7.5 – Зеркальная параболическая антенна
Электрические цепи, с помощью которых радиосигналы передаются от радио- передатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называются фидерами.
70
Глава 7. Оборудование каналов связи
Конструктивное исполнение фидеров зависит от диапазона рабочих частот, уров- ней мощности передаваемых сигналов, условий эксплуатации и т. д.
В диапазоне длинных волн фидеры выполняют в виде проволочных линий.
В области более высоких частот используют коаксиальные кабели: два провод- ника в форме цилиндров с совмещенными осями симметрии (coaxial — соосный).
Внешний проводник коаксиального кабеля (оплетка) отделен от внутренней про- водящей жилы диэлектриком и является хорошим защитным экраном для токов,
протекающих по центральному проводнику, от внешних электромагнитных излу- чений. В диапазоне сверхвысоких частот лучшие характеристики для передачи электромагнитной энергии имеют волноводы: полые металлические трубы кругло- го или прямоугольного сечения.
7.2 Радиоприемные устройства
Под радиоприемным устройством (РПмУ) понимается комплекс
технических средств, предназначенных для выделения радиосигна-
лов с определенными свойствами из множества электромагнит-
ных колебаний, присутствующих в месте приема.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мощность полезного сигнала может составлять ничтожную долю от суммар- ной мощности электромагнитных колебаний в месте приема. РПмУ предназначено для выделения полезного радиосигнала из смеси принятых сигналов и восстанов- ления передаваемого сообщения.
Основные характеристики РПмУ во многом определяются структурой его по- строения. В настоящее время используется несколько принципов построения РП- мУ. Рассмотрим две наиболее часто встречающиеся технологии приема радиосиг- налов.
Схема приемника прямого усиления приведена на рисунке 7.6. На вход прием- ника поступает вся совокупность сигналов, наведенных в антенне в месте приема.
Наряду с полезными сигналами в приемной антенне наводятся электромагнитные колебания других радиостанций и иных источников радиоизлучения.
Рис. 7.6 – Структурная схема приемника прямого усиления
Усилитель радиочастот из смеси наведенных в антенне сигналов выбирает и усиливает только те колебания, частота которых соответствует несущей частоте полезного сигнала. Затем выделенный и усиленный до необходимого уровня по- лезный радиосигнал поступает на демодулятор. Демодулятор выполняет операции,
7.2 Радиоприемные устройства
71
обратные операциям модуляции в передатчике, в итоге на выходе демодулятора формируется сигнал, соответствующий передаваемому сообщению. В большин- стве случаев этот сигнал слаб и поэтому усиливается до необходимой величины в усилителе низких частот. Нагрузкой усилителя низких частот является преоб- разователь сигнала в сообщения. При передаче речи в качестве преобразователей сигнала в сообщение используют, например, громкоговорители, головные телефо- ны и т. д.
Такая структура приемного устройства называется схемой прямо- го усиления, потому что принимаемый сигнал усиливается без до- полнительных преобразований, на той же самой частоте, на кото- рой он был излучен.
При усилении слабых сигналов схема усилителя радиочастот усложняется, ста- новится многокаскадной. Схема приемника очень проста, но с ростом частоты при- нимаемого сигнала становится все труднее обеспечить хорошую избирательность и чувствительность принимаемых сигналов, особенно при перестройке несущей частоты.
Более универсальной является техника приема с преобразованием частоты при- нимаемых сигналов. Обобщенная структурная схема супергетеродинного приемни-
ка приведена на рисунке 7.7.
Рис. 7.7 – Структурная схема супергетеродинного приемника
Отличительной особенностью супергетеродинного приема является преобразо- вание (перенос) спектра принимаемого сигнала из области несущей частоты в об- ласть промежуточной частоты с помощью местного маломощного генератора (ге- теродина). Достоинством такой технологии приема является то, что при изменении несущей частоты принимаемого сигнала нет необходимости изменять параметры настройки многокаскадного усилителя радиочастот, достаточно изменить частоту гетеродина. Технически это гораздо проще, чем добиваться одинакового изменения параметров в каскадах со сложными характеристиками. В конечном итоге это дает возможность строить приемники радиосигналов с хорошими показателями чув- ствительности и избирательности, так как основное усиление сигнала осуществ- ляется в постоянном диапазоне частот.
Супергетеродинный приемник работает следующим образом. На вход усилите-
ля радиочастот (УРЧ) поступает вся совокупность сигналов и помех, наведенных
72
Глава 7. Оборудование каналов связи
в антенне в месте приема. Усилитель радиочастот выполняет предварительную се- лекцию (отбор) сигналов с частотой, равной частоте полезного (принимаемого)
сигнала. Усиление сигналов в УРЧ обычно невелико (в простейших приемниках на радиочастоте совсем нет усиления).
Основное усиление сигнал получает в усилителе промежуточной частоты
(УПЧ), на вход которого поступают продукты преобразования, получаемые в пре- образователе частоты при смешивании принимаемого сигнала с выхода УРЧ и ко- лебаний гетеродина. Преобразователем частоты называют устройство, с помо- щью которого переносится спектр принимаемого сигнала, расположенный в рай- оне частоты несущего колебания, называемой радиочастотой, в область несущих колебаний с другим значением частоты, называемой промежуточной частотой. Ес- ли преобразование сигнала выполнено без искажений, то спектр принимаемого сигнала переместится параллельно по оси частот, на величину, равную частоте гетеродина, а значение промежуточной частоты f
ПЧ
будет равно:
f
ПЧ
Sf
C
f
Г
S,
(7.1)
где f
C
и f
Г
— частоты соответственно сигнала и гетеродина.
При таком преобразовании частоты сохраняется вся информация, заложенная в параметрах модуляции несущего колебания принимаемого сигнала (отличается только само значение несущей частоты). Спектры принимаемого сигнала, гетеро- дина и сигнала промежуточной частоты приведены на рисунке 7.8.
Рис. 7.8 – Спектры сигналов при супергетеродинном приеме
В супергетеродинном приемнике при смене несущей частоты принимаемого сигнала не нужно делать перестраиваемых по частоте цепей УПЧ, так как уси- ление сигнала в УПЧ выполняется в постоянном диапазоне частот. При измене- нии частоты принимаемого сигнала достаточно изменить частоту гетеродина так,
чтобы выполнялось соотношение (7.1). С одной стороны, это упрощает постро- ение приемника в целом, с другой стороны, позволяет улучшить характеристики приема сигналов: избирательность и чувствительность. Следует отметить, что эти преимущества возрастают с увеличением частоты принимаемого сигнала.
Последующие узлы приемника — демодулятор, усилитель низких частот, на-
грузка — выполняют те же операции, что и подобные каскады приемника прямого усиления.
7.2 Радиоприемные устройства
73
Основным недостатком супергетеродинного приемника является возможность приема сигналов с другой несущей частотой (так называемые паразитные каналы приема). Соотношение (7.1) выполняется как при f
C
f
Г
f
ПЧ
, так и при f
C
f
Г
f
ПЧ
Это означает, что приемник может принимать одновременно сигналы двух станций как с частотой f
C
, так и с частотой f
C
. Один из этих сигналов соответствует основ- ному каналу приема и является полезным сигналом, второй канал приема называ- ют зеркальным каналом. Сигнал зеркального канала является помехой основному каналу приема, и принимаются меры для уменьшения влияния зеркального канала.
Для этого во входных цепях приемника (до преобразователя частоты) обеспечива- ют разные условия прохождения сигналов с частотами f
C
и f
C
(стараются выделить полезный сигнал и, наоборот, подавить зеркальный канал). Частоты этих сигналов отличаются на довольно большую величину (равную удвоенной промежуточной частоте 2f
ПЧ
), поэтому требования к УРЧ в супергетеродинном приемнике не та- кие жесткие, как в приемнике прямого усиления.
Радиоприемные устройства можно классифицировать по ряду признаков, на- пример:
по назначению — вещательные (радиовещательные и телевизионные), про- фессиональные (магистральные приемники радиорелейных и спутниковых линий связи и т. п.) и специальные радиоприемные устройства (радиолока- ционные, радионавигационные и т. д.);
по структуре построения (прямого усиления, супергетеродинные приемни- ки и т. д.);
по диапазону рабочих частот;
по условиям эксплуатации (стационарные, переносные и т. д.).
Основными характеристиками радиоприемных устройств являют- ся чувствительность, избирательность, помехоустойчивость.
Избирательностью (селективностью) называют свойство приемного устрой- ства, позволяющее отличать по определенным признакам полезный радиосигнал от радиопомех. Другими словами, избирательность — это способность радиопри- емного устройства выделять нужный сигнал от множества электромагнитных коле- баний, наведенных в приемной антенне, ослабляя все остальные мешающие сигналы.
Сигналы можно избирать по различным признакам. Пространственная изби- рательность связана с направлением прихода радиосигналов и обеспечивается ха- рактеристиками направленности приемных антенн. Частотная избирательность ха- рактеризует способность радиоприемного устройства выделять из совокупности сигналов и помех, действующих на входе, сигнал, соответствующий частоте на- стройки радиоприемника.
Чувствительность приемника отражает способность радиоприемного устрой- ства принимать слабые радиосигналы. Проблема усиления слабых сигналов заклю- чается в том, что в приемнике усиливается не только полезный сигнал, но и по- мехи. Причем из-за неидеальности характеристик элементов приемника с ростом