книги / Основы радиоэлектроники
..pdfделяется сопротивлением Z„ и одновременно выражается через амплитуды падающей и отраженной волн:
ОтL = Z„ = Zn
Отсюда находим:
^тпяа~^~ U тотр
U т пал ^ т отр
^(потр _ J- |
_ Z„ Z(). |
^тл.Д |
U 2,,+Zo |
Комплексная величина f„ называется коэффициентом отражения по напряжению. Анализ выражения для Ги показывает, что от раженная волна отсутствует, если сопротивление нагрузки ZHравно волновому сопротивлению линии Z„ = Z0. Случай, ког да отраженная волна отсутствует, называется режимом согласо вания. Чтобы избежать на экране телевизора двойного изображе ния, определяемого отраженной волной, необходимо добиваться согласования кабеля со входом (входным сопротивлением) теле визора и антенной. При коротком замыкании на конце линии Z„ = 0, Г„= —1, U0Tp = — Umnia на конце линии й т = 0, а амплитуда
2 (J
тока /„= —— — максимальна. z0
При холостом ходе (разрыве) на конце линии ZH->oo; Г„=1; и тотр= и тплд; на конце линии £/т = 2[/пад, а амплитуда тока /т = 0. М о щ н о с ть падающей волны:
|
п |
__ итпад л/•тп ад |
^и2тлад |
||
|
пад |
2 |
|
|
2Z 7 ‘ |
М о щ н о с ть о т р а ж е н н о й в о л н ы : |
|
|
|
||
Р |
__ U то тр ^mо тр __ ^Л потр__| ^ |
| |
: |
= |f „ |2/>n |
|
отр |
2 |
T z 7 -1 |
н| |
|
|
|
2Zo |
||||
Мощность РИ, выделившаяся (поглощенная) в нагрузке, в соот ветствии с законом сохранения энергии равна:
Л, = Л,ад-Л,Тр = ( 1 - |Г и|2)Л,
Мощность в нагрузке максимальная, когда Г„ = 0— в режиме согласования. Поэтому этот режим имеет большое практическое значение. Комплексная амплитуда напряжения в любом сечении х согласно (2.9) определяется амплитудами падающей и отражен ной волны и меняется с изменением х. Модуль комплексной амплитуды напряжения определяет действительную амплитуду напряжения в точке х. Эту амплитуду можно измерить. Зависи мость действительной амплитуды от координаты х определяет картину стоячей волны напряжения. Аналогично получается кар тина стоячей волны тока. Зависимость амплитуд Um и 1т от
Рис. 2.61
координаты х легко получить для частных случаев. В режиме холостого хода Ги = 1
и я = \А\-\е "'** + е +Jkx\ = 2Umnaa\cosк х |,
Im = 4 ^ \ e ~Jk* - e Jkx\ = 2— \sinkx\,
т. e. на конце линии ток равен нулю.
Ранее было показано, что в месте разрыва Um = 2\A | = 2£/тпад. Выберем эту точку за начало координат и будем двигаться влево на расстояние х. Получившиеся картины стоячих волн напряже ния и тока приведены на рис. 2.61. Картина стоячих волн в режи ме холостого хода необходима при рассмотрении процессов в ан теннах (см. § 2.8). В режиме короткого замыкания (рис. 2.62):
Г .= - 1 £/т = 2 1£/тпад | • | sin кх |,
Im = M ^ l \ c o s k x \ .
Z О
Л 1
Ги=0
£
I
х
Рис. 2.63
В режиме согласования Г„ = 0 (рис. 2.63):
U =U ■I |
—Um,“a |
|
^ т |
'-/ т пад? л т |
7 |
|
|
^о |
Знание комплексных амплитуд напряжения и тока позволяет определить входное сопротивление линии ZBXв точке х= —I при движении влево от точки х = 0, где включено сопротивление Z„:
-7 |
|
Ле1к1 + Ве |
^ AeJk, + t aAe-Jk,_ ^ |
ZH+ j Z 0\gne |
" |
Ш |
0 AeJk‘-B e -Jk‘ |
0 AeJkl- t J e - Jkl |
° Z + j Z H\ g n f |
В частных случаях имеем: |
|
|
||
а) при |
Z„ = Z0 |
(режим согласования) |
|
|
ZBX= ZQ — входное сопротивление не зависит от длины линии.
б) При i u = RK^ Z 0 и /= —tg/c/=tg ——►со; ZBX= —— входное со-
4 |
2 |
RH |
противление линии действительно, но отлично от /?„, т. е. линия осуществляет трансформацию сопротивления R„.
в) При 2 И-»оо (режим холостого хода)
ZBX= - j Z 0ctgkl.
При /= ^ имеем ctg Ат/=0 и ZBX= 0— входное сопротивление чет
вертьволновой линии равно нулю, несмотря на разрыв на ее конце.
г) При 2 И= 0 (режим короткого замыкания)
Z M= jZ 0tgkl= jZ 0tg2f .
При /= ^ имеем tg ^ = tg ^ оо и |Z BX| -> оо — входное сопро
тивление линии бесконечно, несмотря на наличие на конце линии короткого замыкания.
Поэтому подключив к двухпроводной линии четвертьволно вой коротко замкнутый отрезок, можно сделать опору для ли нии. Входное сопротивление отрезка бесконечно, и он не будет влиять на процессы в линии (рис. 2.64).
Если подключить к двухпроводной линии с обеих сторон множе ство таких отрезков, чтобы они образовали сплошные стенки, то можно получить еще один вид линии передачи— прямоугольный волновод (рис. 2.65). Прямоугольные волноводы используются для передачи дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.
В последние годы в качестве линии передачи электромагнит ных волн оптического диапазона используются стеклянные воло кна тоньше человеческого волоса. Световой луч распространяет ся по волокну, отражаясь практически без потерь от стенок (полное внутреннее отражение). Такие линии передачи называют
волоконно-оптическими. |
|
|
|
|
|
|
§ 2.8. Антенные устройства. |
|
|
||
|
Для излучения и приема элек |
||||
|
тромагнитных |
волн служат спе |
|||
|
циальные линейные устройства — |
||||
|
антенны. |
С |
помощью |
переда |
|
|
ющей антенны энергия модулиро |
||||
|
ванных колебаний на выходе ра |
||||
|
диопередатчика |
превращается |
|||
|
в энергию электромагнитного по |
||||
|
ля — энергию |
электромагнитных |
|||
|
волн, которые со скоростью света |
||||
|
распространяются |
в разные сто |
|||
|
роны от антенны. |
|
|
||
|
С помощью приемной антен |
||||
|
ны энергия падающих на антенну |
||||
Рис. 2.64 |
электромагнитных |
волн |
превра |
||
|
щается в энергию |
модулирован |
|||
|
ных колебаний, поступающих на |
||||
|
вход радиоприемного устройства. |
||||
|
Токи, протекающие в передающей |
||||
|
антенне, создают распространяю |
||||
|
щиеся электромагнитные |
волны, |
|||
|
а в приемной антенне под дей |
||||
|
ствием падающих электромагнит |
||||
|
ных волн возникает ЭДС сигнала, |
||||
|
которая |
действует |
на входе ра- |
||
диоприемного устройства. Одну и ту же антенну можно ис пользовать и в качестве передающей, и в качестве приемной.
Чтобы антенна эффективно излучала электромагнитные вол ны, необходимо, чтобы электрическое и магнитное поля занима ли значительный объем вокруг антенны. Поэтому антенны дела ют достаточно больших размеров, сравнимыми с длиной волны. Как правило, антенна представляет собой колебательную сис тему с распределенными параметрами.
Для пояснения принципа действия простейшей антенны — симметричного полуволнового вибратора, используемого в диа пазонах КВ и УКВ, рассмотрим отрезок двухпроводной линии длиной /=Х/4, разомкнутой на конце. На входе линии включен передатчик — генератор ЭДС, под действием которого в линии возникает картина стоячей волны тока (рис. 2.66). Расстояние между проводами двухпроводной линии много меньше длины волны, поэтому электрическое Ё и магнитное В поле сосредото чено в пространстве возле проводов, ajia значительном расстоя нии (в дальней зоне) от проводов Ё и S близки к нулю.
Если раздвинуть концы проводов этой линии, электрическое и магнитное поля будут охватывать большой объем (рис. 2.67). Этот объем достигает максимума, когда два провода линии будут вытянуты вдоль прямой (рис. 2.68). Общая длина / такой антенны равна половине длины волны. Антенну можно разбить на отдельные части длиной dz. Через отрезки dz протекает ток /= /zcosa>f, амплитуда которого зависит от координаты z. Под действием этого тока в дальней зоне на расстоянии R от антенны возникает электромагнитная волна (рис. 2.69), электрическое по ле которой равно:
dE= kt |
R cos 0 dz • |
В плоскости, перпенди |
|
кулярной |
антенне (0 = 0), |
I |
dE |
это поле максимально, а при 0=^ |
I |
/ |
в направлении вдоль антенны равно |
! в |
/ |
нулю, т. е. излучение электромагнит |
ных волн происходит в разные сторо |
||
Г7* |
ны не одинаково. Антенна характери |
|
зуется несколькими параметрами. |
||
|
|
В дальней зоне, т. е. на расстояниях, |
& |
dz |
значительно превышающих размеры |
Рис. 2.69 |
антенны, общая напряженность элек |
|
трического поля Ё равна: |
||
|
|
1/2 |
|
Е = к2 |
J I(z)dz = k2Itшах^д |
|
|
- 1/2 |
Величина Лд называется действующей высотой антенны. Она показывает, какой длины должна быть антенна, через каждый отрезок dz которой протекает ток с одной и той же амплитудой /тах, создающая в дальней зоне такую же напряженность поля Ё,
как и реальная антенна. При /(z) = /max -cos ( ^ | л д = ^/. Мощ
ность, излучаемая антенной, может быть записана в виде:
Р = Г2R
1 изл 1 -*^изл»
где I — действующее значение тока 1=1твх/^/2, ^иэл— сопро тивление излучения. Для полуволнового вибратора R„}„ =
= 160л:2 Ом. С ростом Ад увеличивается сопротивление из
лучения Кизл и излучаемая мощность Ризл. Антенна имеет потери, характеризуемые сопротивлением потерь Лпот. Общее входное сопротивление антенны RBXна резонансной частоте равно:
RBX= Rmn + Rn
Антенна характеризуется коэффициентом полезного действия:
Л = ^ и зл / Р в х R m n l R B X 4
С учетом сопротивлений /?изл и Лпот антенна представляет собой распределенную систему с потерями. Когда длина антенны точ
но равна /=Х/2, входное сопротивление антенны Z BX= RBX+ - J x
чисто активно и равно RBX, если />^, входное сопротивление
имеет индуктивную реактивную составляющую (X> 0), а при 1<X/2ZBX имеет емкостную реактивную составляющую (А'сО) (рис. 2.70). Проведем плоскость, перпендикулярную полуволно вому вибратору, через его середину. Эта плоскость называется экваториальной (рис. 2.71). В этой плоскости напряженность
электрического |
поля Ё на |
|___Е |
|||
расстоянии |
R |
от |
антенны |
|
|
равна: |
|
|
|
|
|
£, = 1 2 0 * '^ - ^ . |
£ — |
||||
1 |
R X |
м |
I Вэкваториальной плоскости |
||
-300 У//>"-"(квт)мД |
|||||
I |
|||||
|
R.M |
М |
Рис. 2.70 |
||
|
|
|
|
||
Это формула для Е при идеальной радиопередаче. Реальное поле искажается влиянием Земли и ионосферы.
Способность антенны излучать или принимать электромаг нитные волны в различных направлениях определяется диаграм мой направленности D = E/EmiiX—f(Q). В экваториальной плоско сти диаграмма направленности рассматриваемого полуволно вого вибратора представляет собой окружность, так как все направления в данном случае равноправны (рис. 2.72). Если
же рассмотреть плоскость, содержащую данный вибратор, |
то, |
|
как отмечалось |
выше, электрическое поле в дальней зоне |
за |
висит от угла |
0 (afZf~cos0) и D (0) = £>тах• cos0 (рис. 2.73), |
|
Хс |
fx |
|
|
|
|
|
. о |
• и — |
|
Чх |
|
|
|
|
|
|
1 > \/г |
Рис. 2.71
|
(рис. 2.74). Угол 2 0Ь внутри ко |
||
|
торого D > |
, называется шири- |
|
|
ной диаграммы |
направленности. |
|
|
Диаграммы |
направленности из |
|
|
лучения и приема (передающих |
||
|
и приемных |
антенн) совпадают, |
|
|
если совпадают |
геометрические |
|
Рис. 2.74 |
размеры и прием и передача про |
||
|
исходят на |
одной частоте. Фор |
|
мирование диаграммы направленности можно объяснить, ис пользуя понятие интерференции электромагнитных волн. От каж дой части антенны длиной dz возникает в дальней зоне поле dE, в некоторых направлениях эти поля складываются (приходят в фазе), а в некоторых — вычитаются (приходят в противофазе), что и приводит к возникновению диаграммы направленности. Для увеличения направленности излучения необходимо увели чить число отрезков dz, т. е. увеличить размеры антенны — уве личить число вибраторов. В этом случае диаграмма направлен ности сужается (20! — уменьшается).
Чтобы уменьшить излучение в одну сторону, сзади активного полуволнового вибратора ставят пассивный полуволновой от ражатель-рефлектор (рис. 2.75). Он действует, как зеркало, от ражающее (переизлучающее) электромагнитные волны с измене нием фазы на 180°, в результате ослабляется поле за отражателем и усиливается поле перед активным вибратором.
Чтобы сделать диаграмму направленности системы еще более узкой, перед активным вибратором
|
|
укрепляют ряд пассивных вибрато |
||||
Актибный |
|
ров, расстояние между которыми со |
||||
|
|
ставляет |
примерно |
С/8)Х (см. |
||
|
|
рис. 2.76); называются эти вибрато |
||||
|
|
ры |
директорами |
(направителями), |
||
|
|
расположены они в одной плоскости |
||||
|
|
с активным вибратором и рефлек |
||||
Отражатель |
|
тором. |
К активному вибратору |
|||
|
энергия поступает от генератора, ак |
|||||
Рис. 2.75 |
|
тивный вибратор излучает электро |
||||
|
магнитные волны по всем направле |
|||||
Х/ц |
|
ниям, рефлектор и директоры при |
||||
|
нимают |
излучение |
и |
переизлучают |
||
f H |
в |
его; |
при |
правильно |
подобранных |
|
длинах директоров их переизлучен- |
||||||
ные поля по направлению линии АВ |
||||||
|
|
(см. рис. 2.76) складываются в фазе |
||||
Рис. 2.76 |
|
с исходным полем активного вибра- |
||||
тора и переизлученным полем реф |
|
|
лектора, по направлению ВА эти |
|
|
поля дают общее поле, напряжен |
|
|
ность которого почти равна 0. Та |
|
|
кие антенны называются директор- |
|
|
ными или антеннами типа «волно |
Рис. 2.77 |
|
вой канал», они |
широко приме- |
|
няются Hie только |
для излучения, |
|
но и для приема электромагнитных волн (например, в телеви дении).
Диаграмма направленности во многих случаях должна быть по возможности постоянной в широком диапазоне частот. Ан тенны, удовлетворяющие этому условию, называются диапазон ными. (или ненастроенными). У настроенных антенн диаграмма направленности неизменна лишь при незначительном отклоне нии частоты от номинальной. Если настроенную антенну ис пользовать в широком диапазоне волн, то при смене волны отношение сигнал/помеха резко понизится. Достоинства и недо статки настроенных и ненастроенных антенн вытекают из их определений: у настроенной антенны хорошая избирательность, но требуется перенастройка антенны для приема другой радио станции, у ненастроенной антенны не требуется перенастройки для приема другой радиостанции, но отношение сигнал/помеха у этих антенн хуже, чем у настроенных.
Антенны для приема радиовещательных и телевизионных пе редач бывают наружными и комнатными.
Если антенна длиной Х/4 перпендикулярна поверхности Зем ли, то она называется четвертьволновой. За счет отражения от Земли такая антенна (длиной Х/4) эквивалентна по диаграмме направленности антенне длиной Х/2, но мощность излучения четвертьволновой антенны в 2 раза меньше (рис. 2.77).
Если антенна длиной Х/2 параллельна Земле, она называется горизонтальным диполем (рис. 2.78).
Для увеличения действующей высоты антенны можно ис пользовать Г-образную антенну, горизонтальная часть которой должна быть не короче вертикальной. Действующая высота при этом увеличивается на 15— 30% (рис. 2.79). Такие антенны ис пользуются в диапазонах ДВ и СВ, когда размеры антенны меньше длины волны.
м
Приемник
Рис. 2.78 |
Рис. 2.79 |
^ |
Улучшение |
диаграммы |
||
направленности |
и снижение |
|||
V |
влияния помех можно полу- |
|||
* |
чить с помощью рамочной |
|||
|
антенны |
(рис. 2.80). |
При |
|
|
приеме ЭДС и ток в такой |
|||
|
антенне |
^возникают, |
когда |
|
|
вектор |
В перпендикулярен |
||
- |
плоскости рамки. Тогда с из- |
Рис. 2.80 |
менением магнитного пото- |
- - - |
с1Ф |
ка Ф = BS, где S — площадь рамки, появляется ЭДС е = ----- . Если
-
же В параллелен плоскости рамки, Ф = 0 и £’=0. Использование ферритов увеличивает эффективность такой антенны и позволяет создать миниатюрные ферритовые (магнитные) антенны для ма логабаритных транзисторных радиоприемников.
Впоследние десятилетия широко используются штыревые (складные) антенны, размещенные на корпусе радиоприемника или магнитолы (приемника с магнитофоном) (рис. 2.80).
Вдиапазонах сверхвысоких частот используются различные виды антенн, в том числе параболические и сферические антенны,
вфокусе отражателя которых расположен излучатель (рис. 2.81). Эти антенны действуют как параболические и сферические зерка ла. Чем больше площадь антенны, тем уже получается диаграм ма направленности и, следовательно, больше дальность действия радиосистемы при той же мощности излучения. Однако антенны диаметром более 50 м трудно использовать из-за их огромного веса.
Наибольшая используемая для наблюдения космических ра диоисточников антенна такого типа в Аресито (Пуэрто-Рико) неподвижна и расположена во впадине между горами. Ее диа
метр 305 м, диаграмма направленности 20! =0,6° На |
высоте |
150 м над антенной висит |
прием |
ник весом 500 т, на вход которого поступают электромагнитные вол ны от радиоисточников, отражен ные отражателем.
Необходимость слежения за ко смическими кораблями и самоле тами требует создания антенны с узкой диаграммой направлен ности, которая может перемещать ся в пространстве, периодически «просматривая» определенную часть пространства. Такие антенны называются сканирующими. Идея