Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

странстве, используя, например, диагональный возбуждающий рупор. В этом случае главные плоскости проходят через диагонали раскрыва.

Антенны с вынесенным облучателем, выполненные по закрытой схеме,

защищены, как и РПА, с боков экранирующими стенками. По помехозащи-

щенности такие антенны примерно равнозначны РПА. Конструктивно проще АВО выполненные по открытой схеме, когда отсутствуют экранирующие бо-

ковые стенки и атмосферная защита раскрыва. Помехозащищенность откры-

тых АВО в основном определяется направленными свойствами облучателя и при рациональном проектировании может не уступать помехозащищенности РПА.

Наилучшим облучателем для АВО является расфазированный рупор с изломом образующей, поворотом оси и косым срезом.

Для увеличения помехозащищенности применяемых на РРЛ перископи-

ческих антенн следует так подбирать размеры излучателя (при заданных вы-

соте опоры и диаметре переизлучателя), чтобы обеспечить малую утечку энергии на участке излучатель– переизлучатель. Дополнительное повышение помехозащищенности может быть обеспечено при отнесении излучателя от основания опоры. При этом возбуждается только часть опоры, непосред-

ственно примыкающая к верхнему зеркалу. Определенное влияние на поме-

хозащищенность оказывает тип опоры. Наименьшее влияние оказывает опо-

ра в виде сплошной круглой гладкой трубы. Решетчатая опора представляет собой периодическую решетку, что при скользящем падении приводит к по-

явлению больших боковых лепестков.

Для уменьшении бокового излучения и увеличения защитного действия однозеркальных и двухзеркальных осесимметричных антенн применяют раз-

личного рода защитные экраны. На рис. 6.6,а показан установленный по кон-

туру антенны цилиндрический экран (бленда), позволяющий существенно

(на 5... 10 дБ) снизить дальнее боковое излучение и излучение в заднемполу-

пространстве. Длину экрана обычно подбирают так, чтобы уровень возбуж-

дения его кромки был близок к нулю. Уменьшение излучения в задних квад-

211

рантах можно обеспечить также скруглением периферийной части поверхно-

сти зеркала (рис. 6.6,б). Для улучшения ЭМС рассматриваемых антенн, как указывалось в начале данного параграфа, применяются также расфазировки кромочных токов.

Рис. 6.6. Защитные экраны.

чения может быть ослаблен при использовании

специальных «согласованных» облучателей, а также подавлением перекрест-

ной составляющей после ее излучения. Для этого используются зеркала в ви-

де однолинейной проволочной сетки, наклеенной на поглощающий матери-

ал, благодаря чему подавляется поперечная кроссполяризационная составля-

ющая поля антенны. Провода однолинейной сетки могут располагаться в этом раскрыве зеркала перпендикулярно основной поляризации; в этом слу-

чае их целесообразно выполнять из поглощающего материала.

Как известно, антенны, в раскрыве которых распределение поля спадает к краям до нуля, имеют пониженный уровень боковых лепестков, в том числе лепестков в заднем полупространстве. Распределение поля в апертуре будет близко к распределению с нулем на краю зеркала, если периферийная часть отражающей поверхности антенн покрыта поглощающим материалом. Одна-

ко снижение коэффициента усиления антенны в этом случае, а также отсут-

ствие эффективных и недорогих поглощающих материалов не позволяют широко применять подобные устройства.

Ослабление бокового излучения антенн в одном или нескольких заранее известных направлениях возможно с помощью вынесенных защитных экра-

нов. Они располагаются перед антенной по направлению мешающего сигна-

212

ла. Различают простые, фигурные (односвязные) и многосвязные защитные экраны. К простым экранам можно отнести кольцевые и секторные экраны.

При внутреннем радиусе кольца, равном радиусу первой зоны Френеля, а

внешнем – радиусу второй зоны, кольцевой экран может существенно уси-

лить поле в направлении оси системы источник излучения – кольцевой экран.

При других размерах экрана можно получить обратный эффект – глубокое подавление излучения. Радиус секторного экрана должен быть равным ради-

усу первой зоны Френеля. Экраном нужно затенить половину первой зоны Френеля, чтобы получить нулевое значение результирующего поля на оси системы. При этом форма секториального экрана может быть различной.

Использование вышеперечисленных экранов позволяет существенно снизить уровень побочного излучения антенны, но все они обладают тем не-

достатком, что сектор подавления излучения сравнительно невелик. Для расширения сектора подавления излучения используют многосвязные экра-

ны. Следует отметить, что в многосвязных экранах существует некоторая свобода выбора искомых геометрических параметров (например, радиусов колец). Это может использоваться для расширения сектора подавления либо для оптимизации системы, например обеспечения заданной формы ДН в те-

невой области за экраном.

6.3. Активные методы борьбы с помехами

Активные методы обеспечения помехозащищенности реализуются в многоканальных антенных устройствах, в которых имеется несколько кана-

лов приема (передачи). При этом возможны две различные помеховые ситуа-

ции: первая – когда известны направления и интенсивность воздействия на антенну как полезного сигнала, так и помех, вторая – когда направление и интенсивность помех заранее неизвестны, а оба эти параметра являются слу-

чайными функциями времени. В первом случае повышение помехозащищен-

ности многоканальной антенны решается формированием специальной фор-

213

мы ДН, имеющей нулевые уровни излучения в направлениях прихода помех.

Для неопределенной помеховой ситуации возможно применение адаптивных антенн, формирующих оптимальную по выбранному критерию ДН, которая,

изменяясь во времени в зависимости от помеховой ситуации, постоянно остается оптимальной по этому критерию.

Формирование нулевого уровня излучения в некотором заданном направлении (компенсационное подавление излучения) можно понять на примере двухканальной антенны. Она содержит два канала, в каждом из ко-

торых находятся антенна, регулируемые фазовращатели и аттенюаторы. Выходы обоих каналов объединены (рис. 6.7). Ре-

гулировкой аттенюаторов Ат1 и Ат2 мож- Рис. 6.7. Двухканальная антенна. но выровнять уровни помехи, приходя-

щей с направления θП, в каналах 1 и 2, а фазовращателями обеспечить сдвиг фаз между ними, равный 180°. В этом случае на выходе антенной системы уровень помехи будет равен нулю.

Процедуру компенсации легко объяснить, используя диаграммы направленности антенн. Пусть антенна А, имеет большую направленность и используется как основная антенна системы. Антенна А2, имеющая меньшую направленность, используется для создания второго канала приема. На рис. 6.8 приведены ненормированные ДН: кривые 1 для антенны А1, кривые 2 для антенны А2, а кривые 3 для результирующей антенной системы. На рис. 6.8,а

показаны ДН до выравнивания уровней сигнала с направления θП, на рис.

Рис. 6.8. Пример компенсации помехи.

214

6.8,б – после выравнивания, а на рис. 6.8,в – после введения фазового сдвига

180°.

Для того чтобы избежать уменьшения уровня полезного сигнала, в канале А1 целесообразно использовать достаточно направленную антенну А2 с мак-

симумом ее ДН, ориентированным по направлению θп. В этом случае приме-

няют только аттенюатор Ат2.В зеркальных антеннах дополнительный ком-

пенсационный канал можно создать установкой дополнительного облучателя либо одним облучателем и двухмодовым трактом, обеспечивающим два ка-

нала приема.

Рассмотренный выше метод компенсации требует управления и ампли-

тудой, и фазой. Известны антенные системы, в которых компенсация обес-

печивается регулировкой только одного параметра сигнала – амплитуды или фазы.

215

7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

7.1. Классификация радиоволн по диапазонам

Сведения о диапазонах в соответствии с Регламентом радиосвязи, при-

нятым Международным Консультативным Комитетом по Радио (МККР),

приведены в табл. 7.1.

216

Тенденция развития применений радиоволн для радиосвязи – освоение всё более высокочастотных диапазонов, позволяющих значительно увеличи-

вать объёмы передаваемой информации. При этом приходится учитывать состав и строение атмосферы Земли, рельеф и свойства земной поверхности,

которые существенным образом влияют на распространение радиоволн. В

различных диапазонах это влияние различно. Необходимо также помнить,

что диапазон радиоволн ограничен и представляет собой ресурс, который,

как и другие природные ресурсы, требует рационального использования.

7.2.Состав и строение атмосферы Земли

Сточки зрения распространения радиоволн атмосферу, как показано на рис. 7.1, разделяют на три области: тропосферу (от поверхности земли до 10

– 15 км), стратосферу (от 10 – 15 км до 60 – 80 км) и ионосферу (от 60 – 80 км

атмосферы – стратосферы и ионосферы, тропосфера содержит большое количество паров воды.

Тропосфера слабо поглощает солнечный свет и нагревается глав-

ным образом от поверхности Земли. Поэтому температура воздуха в её пределах уменьшается с высотой. Обычно температура воздуха с высотой убывает на 5 – 6 0С на 1км. Но иногда в небольших интервалах наблюдает-

ся возрастание температуры с высотой, называемое температурной инвер-

сией.

217

Рис. 7.1. Строение атмосферы и температурная зависимость по высоте.

Прекращением уменьшения температуры и характеризуется верхняя граница тропосферы. Выше этой границы, в стратосфере, температура с высотой возрастает и достигает максимума примерно на высоте 50 км.

Нагрев стратосферы происходит из-за сильного поглощения ультрафио-

летового излучения Солнца озоном, содержащимся в этом слое.

218

Характер распространения радиоволн в тропосфере определяется со-

стоянием атмосферы и процессами, которые в ней происходят. Со-

стояние атмосферы определяется температурной, влажностью и давлени-

ем. Эти характеристики называются метеорологическими параметрами

тропосферы. Атмосфера состоит из смеси газов. Каждый газ обладает ди-

электрической проницаемостью и проводимостью. Во всех низкочастот-

ных диапазонах, вплоть до СВЧ, проводимость газов практически равна нулю. В диапазонах СВЧ и выше проявляется дисперсия вещества, а прово-

димость отлична от нуля.

В 1925 году Международной комиссией по аэронавигации было введе-

но понятие стандартной или нормальной тропосферы, которая характеризу-

ет среднее состояние тропосферы в умеренных широтах. Для нормальной тропосферы приняты следующие метеопараметры: на поверхности Земли давление р =1013 мбар, температура Т=288 К, относительная влажность

60%. С увеличением высоты на каждые 100 метров давление уменьшается на

12 мбар, температура на 0,55 градуса, относительная влажность остается по-

стоянной. Высота нормальной тропосферы принимается равной 11 км.

Тропосфера и стратосфера составляют неионизированные слои ат-

мосферы, поэтому закономерности распространения радиоволн в обоих сло-

ях почти одинаковы. Однако, в тропосфере благодаря значительно большей плотности воздуха и близости слоя к земле, метеорологические процессы проходят значительно интенсивнее, чем в стратосфере. Ввиду этого изучение распространения радиоволн в неионизированной части атмосферы ограничи-

вают изучением распространения радиоволн в тропосфере.

Ионосфера В ионосфере содержится большое число электрически заряженных

частиц – ионов и свободных электронов. Ионизация верхней части атмосферы обусловлена действием электромагнитного излучения Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской частях спектра. Ионизацию создают также метеориты, вторгающиеся в земную атмосферу. На высотах 250 – 400

219

км имеется основной максимум ионизации. Выше и ниже этого максимума электронная плотность убывает. Фактически ионосфера – это газовая плазма.

Процесс ионизации состоит в том, что под действием квантов солнечного излучения из нейтральных молекул выбиваются электроны и молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. В ионосфере одновременно с ионизацией происходит и обратный процесс рекомбинации,

т.е. воссоединение положительного иона с электроном и образование нейтральной молекулы. С восходом Солнца ионизация преобладает над рекомбинацией и электронная концентрация растет. С заходом Солнца в результате рекомбинации электронная концентрация уменьшается.

В ионосфере существует несколько максимумов концентрации электронов. Они называются слоями и обозначаются символами D, Е, F.

Ионосферные слои характеризуются параметрами: плотностью электронов в максимуме ионизации; высотой нижней границы; полутолщиной слоя

(высотой от нижней границы до максимума ионизации); числом столкновений электронов с тяжёлыми частицами – ионами и молекулами.

Слой D расположен на высоте 60 – 80 км, Е – на высоте 100 км (полутолщина

15 – 20 км), F – на высоте 250 – 400 км. Слой F является основным максимумом электронной плотности. Полутолщина его 100 – 200 км и может меняться в зависимости от времени суток, времени года. На высотах более

300 км атмосфера полностью ионизована. Распределение электронной плотности по высоте и положение слоёв ионосферы приведены на рисунках

7.2 и 7.3. Как следует из этих рисунков, нижний слой D существует лишь днём. Ночью свободные электроны в нём полностью рекомбинируют. Слой

Е существует всегда, хотя с заходом Солнца электронная концентрация в нём уменьшается. Этот слой является самым устойчивым ионосферным слоем.

Слой F зимой ведёт себя подобно слою Е, но электронная концентрация в нём гораздо больше. Летом слой F распадается на два слоя F1 и F2, причём

220