Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

Классификация радиоволн и параметры антенных устройств
/ Учебные материалы / Физика Узнать стоимость написания работы

АКАДЕМИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЕФЕРАТ По дисциплине: Физика

Тема: «Классификация радиоволн и параметры антенных устройств».

2008

Введение…………….……………………………………………….……………3

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения…….4

Параметры антенн…………………………………….…………………………..9

Заключение…………………………………………………………………….…14

Список литературы……………………………………………………………….15

Введение

В настоящее время широкое распространение получила техника связи, в которой используется приемо-передатчик, работающий в диапазоне радиоволн. Но мало кому известно, что это за волны, каковы принципы передачи информации с их помощью.

В данной работе мы постараемся на доступном уровне рассказать о классификации радиоволн, о способах их распространения, а также проанализируем основные параметры радиопередающих антенных устройств.

Ведь в современном мире радиосвязь, радиовещание имеют огромное значение.

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения.

Одной из важнейших характеристик любой реальной радиолинии, является преобладающий способ распространения электромагнитной волны.

Он ограничивает максимальную дальность связи и скорость передачи информации, определяет медианный множитель ослабления, период и глубину замираний сигнала, условия ЭМС различных радиоэлектронных средств и т. д.

В свою очередь преобладание того или иного способа распространения на данной трассе определяется рабочей частотой. Поэтому, большую практическую значимость имеет деление радиоволн по диапазонам частот (волн) и по способам их распространения.

Деление радиочастот и радиоволн на диапазоны, установлено международным регламентом радиосвязи.

В соответствии с этим регламентом весь спектр электромагнитных волн и частот делят на ряд диапазонов, номера которых «n» определяют их нижние (исключительно) 0,3×10n Гц и верхние (включительно) 3×10n Гц частоты.

При этом часть свободно распространяющихся в природных условиях ЭМВ, использующихся в радиотехнике для передачи сигналов, называют радиоволнами. К радиоволнам относятся диапазоны с n = 4¸12, наименование которых приведено в таблице 1.

Таблица 1

nГраничные частотыНаименование диапазона частотГраничные длины волнНаименование диапазона волн
43–30 кГцОчень низкие (ОНЧ)100–10 кмМириаметровые или сверхдлинные (СДВ)
530–300 кГцНизкие (НЧ)10–1 кмКилометровые или длинные (ДВ)
60,3–3 МГцСредние (СЧ)1000–100 мГектометровые или средние (СВ)
73–30 МГцВысокие (ВЧ)100–10 мДекаметровые или короткие (КВ)
830–300 МГцОчень высокие (ОВЧ)10–1 мМетровые (МВ)
90,3–3 ГГцУльтравысокие (УВЧ)100–10 смДециметровые (ДМВ)
103–30 ГГцСверхдлинные (СВЧ)10–1 смСантиметровые (СМВ)
1130–300 ГГцКрайневысокие (КВЧ)10–1 ммМиллиметровые (ММВ)
120,3–3 ТГцГипервысокие (ГВЧ)1–0,1 ммДецимиллиметровые (ДММВ)

Опираясь на принятую десятичную классификацию, ширину спектра соответствующего диапазона определяют по формуле:

. (1)

Эволюцию практического использования диапазонов радиоволн можно обозначить несколькими этапами.

На первом этапе развития радиотехники (примерно до 1918 года), потребности радиосвязи удовлетворялись в основном за счёт использования диапазонов СДВ и ДВ. Электромагнитные волны указанных диапазонов обладают хорошим круглосуточным распространением вокруг Земли и поэтому наиболее пригодны для систем глобальной радиосвязи, радионавигации и морской подвижной радиосвязи.

В то же время, к недостаткам практического использования указанных диапазонов следует отнести: громоздкостью антенных устройств, наличие высокого уровня атмосферных и промышленных помех, низкую пропускную способностью радиотракта.

На втором этапе (примерно до 1940года), с появлением и развитием таких областей прикладной радиотехники как: радиосвязь и радиовещание, радионавигация и радиолокация, возникла необходимость в использовании более высокого диапазона радиочастот.

В частности, стали осваиваться СВ, имеющие те же преимущества и недостатки (но менее выраженные), что и ДВ, а также KB, которые на большие расстояния распространяются путём многократного отражения от земной поверхности и ионосферы.

Радиоволны КВ диапазона оказались пригодными не только для глобальной радиосвязи и радиовещания, но и для различных систем подвижной и радиолюбительской связи.

Однако в точку приёма радиоволны КВ диапазона как правило приходят различными путями, что приводит к явлению интерференции ЭМВ и, как следствие, к быстрым и глубоким изменениям уровня принимаемого сигнала.

Наконец на третьем, современном этапе, когда быстрыми темпами продолжают развиваться прежние службы радиосвязи и появились новые (подвижная и космическая радиослужбы, телеметрия, телеуправление и др.), радиоспециалисты были вынуждены обратиться и к остальным диапазонам радиоспектра.

Самое широкое применение в различных областях практической деятельности человека нашли MB.

Электромагнитные волны этого диапазона слабо подвержены таким явлениям как дифракция и рефракция, но, в то же время, испытывают сильное ослабление при распространении вдоль поверхности Земли.

В диапазоне МВ уровень атмосферных и индустриальных радиопомех значительно меньше, чем в выше рассмотренных диапазонах и поэтому доминирующими становятся помехи космического происхождения.

Распространение ДМВ и СМВ, так же как и МВ ограничивается, как правило, областью прямой видимости. Однако за счет механизма рассеяния и отражения электромагнитных волн слабыми неоднородностями тропосферы, экспериментально обнаруженного в начале 50-х годов, радиосвязь в этих диапазонах может осуществляться и на значительно большие расстояния, чем расстояние прямой видимости.

ДМВ и СМВ используются, как правило, в радиолокации, радионавигации, телевидении, в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи, так как в этих диапазонах острую направленность антенн можно получить в совокупности с относительно небольшими их габаритами. Кроме этого, практическое отсутствие в диапазонах ДМВ и СМВ индустриальных радиопомех, а также слабой зависимости условий распространения ЭМВ от метеорологических условий, времени суток и года, увеличивает привлекательность их дальнейшего использования.

Несмотря на многолетние исследования, ММВ и ДММВ используются пока еще недостаточно широко. Основной причиной отсутствия значительного прогресс в области их практического применения является сильная зависимость условий распространения ЭМВ указанных диапазонов от дождя, снега, тумана, облаков, пылевых образований и других природных явлений.

Следует подчеркнуть, что нарезание одинаковых по перекрытию участков (10:1) придаёт современной системе классификации несколько формальный, искусственный характер.

Резкие разграничения в свойствах волн различных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны плавно переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте, такое деление полностью оправдало себя.

Гораздо более сложным и строгим является деление радиоволн по механизмам и способам распространения. В принципе, в природе существует единый процесс возбуждения электромагнитного поля во всём окружающем пространстве. Однако в общем случае строгий метод расчета такого поля в настоящее время недоступен.

В то же время, на реальных радиотрассах большая часть энергии поля сигнала переносится в пункт приёма за счет одного, преобладающего механизма распространения.

Поэтому классификацию ЭМВ по способу их распространения целесообразно увязывать с такими присущими им явлениями как рефракция, дифракция, рассеяние, отражение и преломление показанными на рисунках (7¸10).

Радиоволны, излучаемые передающей антенной могут распространяться в атмосфере Земли, вдоль ее поверхности, в толще

Земли и в космосе достигая точки приема по траекториям, показанным на рисунке 11.

В зависимости от вида траектории ЭМВ различают:

1) прямые РВ – рисунок 11г;

2) поверхностные РВ – рисунок 11а;

3) тропосферные РВ – рисунок 11в;

4) ионосферные РВ – рисунок 11б.

Прямые волны – это радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабонеоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям.

Поверхностные волны – радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции.

Тропосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000км) расстояния за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Ионосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.

Параметры антенн.

Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными.

Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника.

Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи.

Параметры и характеристики передающих антенн

Принципиальным отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения.

Антенна по отношению к передатчику с одной стороны выполняет функцию нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является комплексным.

(2)

где  – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны;

 – реактивная составляющая входного сопротивления, соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны .

С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне:

(3)

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами.

Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности .

Эти величины зависят от расстояния и направления излучения, то есть от углов  и  сферической системы координат.

Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны называется характеристикой направленности, то есть

(4)

Обычно характеристику направленности нормируют к единице путем деления ее на величину максимальной напряженности поля, создаваемой в направлении максимума излучения:

. (5)

Иногда пользуются понятием характеристики направленности по мощности, которая равна квадрату характеристики направленности по полю. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.

Построение диаграммы направленности возможно в полярной или прямоугольной системах координат.

В общем случае может быть построена пространственная диаграмма направленности, но так как данная процедура весьма затруднительна, то на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений, например сечений двумя ортогональными плоскостями, проходящими через максимум излучения. На рисунке 12.

а показана пространственная диаграмма направленности антенны, обладающей остронаправленным излучением, а также изображение этой диаграммы для одной плоскости в полярной (рисунок 12б) и прямоугольной (рисунок 12в) системах координат.

Степень концентрации электромагнитной энергии в главном направлении характеризуется шириной главного лепестка (шириной диаграммы направленности).

Шириной диаграммы направленности называют угол между двумя направлениями, в пределах которого напряженность поля уменьшается в  раз, а мощность – в два раза по сравнению с ее максимальным значением.

На рисунке 13 показан пример определения ширины главного лепестка диаграммы направленности по полю.

Для количественной оценки свойства антенны концентрировать излучение энергии ЭМВ в определенном направлении вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны  к мощности излучения данной антенны , создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля:

 , (6)

Рис12.

Рис.13

Для произвольного направления КНД определяется соотношением:

(7)

КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне.

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны (КУ).

КУ принято обозначать через  и количественно определять соотношением:

(8)

Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении главного излучения, с током в передающей антенне, имеет размерность длины и называется действующей длиной антенны.

С физической точки зрения действующую длину антенны можно представить как длину некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей в направлении максимума излучения ту же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна.

Геометрическая интерпретация данного определения показана на рисунке 14.

Рис. 14

Параметры и характеристики приемных антенн.

Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн можно использовать и для характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл.

Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная площадь антенны “А”, позволяющая оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

Эффективной площадью антенны “А” называют отношение максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку к величине вектора Пойнтинга “П” приходящей плоской волны:

(9)

С физической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны.

Между эффективной площадью “А” и коэффициентом усиления антенны  существует простая связь:

.

Заключение.

Итак, в этой работе мы постарались рассмотреть наиболее широко распространенную классификацию радиоволн. И видим, что она достаточно широка, а современная наука и техника не стоит на месте, а стремительно движется вперед.

Возможности радиодиапазона далеко не исчерпаны и таят в себе огромный потенциал для дальнейших исследований, дальнейшего расширения диапазона.

Для этого необходимы новые конструкторские решения, которые в частности касаются и антенно-фидерных устройств, составную часть которых, а именно антенное устройство, мы рассмотрели в данном реферате; ознакомились с его основными параметрами. Поэтому считаю, что радиоэлектронику ждет великое будущее, и она сыграет значимую роль в развитии цивилизации.

Список литературы.

·          “Электродинамика и распространение радиоволн” С.Сергеев, Орел, ВИПС

·          «Основные закономерности распространения прямых радиоволн и работы радиолиний». Лазоренко, Орел, ВИПС

  • Устройства РВК
  • … ;2+2φ12+2φг+ φ11)], (5.6) а условием баланса будет:  (5.7) 6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК На рисунке 6.1 представлена структурная схема устройства, предназначенного для контроля электрической толщины радиопрозрачных диэлектрических стенок методом …

  • Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн
  • … на сотни километров, поскольку вся излучаемая энергия может быть перехвачена приемным устройством с апертурой приемлемых размеров. В диапазоне субмиллиметровых волн отношение допустимых размеров апертур к длине волны заметно уменьшается, тем не менее в ряде случаев подобные квазиоптические линии …

  • Обеспечение помехопостановки и помехозащиты технических устройств
  • … эффективных средств защиты; использованием своих средств РЭБ в интересах помехозащиты. Что же касается помехопостановки, то здесь требуется разработка новых алгоритмов и более быстродействующих вычислительных устройств. Так же хорошо бы разработать алгоритмы, позволяющие отслеживать изменение …

  • Лазеры. Основы устройства и применение их в военной технике
  • … Скорость Блок питания Дальность 3.2. НАЗЕМНЫЕЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ. Лазернаядальнометрия является однойиз первых областейпрактическогоприменениялазеров в зарубежнойвоенной технике.Первые опытыотносятся к1961 году, а сейчаслазерные дальномерыиспользуютсяи в наземной …

  • Передающее устройство для приемо-передающего модуля радиовысотомера
  • … ) 25776,94 5. Себестоимость изделия (п.1+п.2+п.3+п.4) 43865,04   В результате проведенного в данном разделе расчета определена стоимость разработки передающего устройства, которая составляет 43865,04 руб. 2. ОХРАНА ТРУДА Данный раздел дипломного проекта посвящен его оценке …

  • Классификация систем и сетей радиодоступа
  • … сократить объем исследуемого материала и в то же время не упустить главное — эволюцию развития технологий, услуг, техники, протоколов, интерфейсов и т.п. систем и сетей радиодоступа. Если задачей физического уровня считается надежная связь между АС и БС, то для соединений типа «АС — абонент сети …

  • Конструирование радиорелейной линии
  • … Оренбург – Соль-Илецк. Красные метки соответствуют промежуточным станциям, которые предназначены для приема сигналов от предыдущей станции радиорелейной линии, усиления этих сигналов и излучения в направлении последующей станции РРЛ. Синие метки соответствуют оконечным станциям. На данных станциях …

  • Радиолокационные установки
  • … и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги и статического электричества. Электрические установки, к которым относится практически все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в …

  • Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи
  • … ;      Изменение несущей частоты БС D-AMPS. ЭМС сотовых систем связи EGSM-900 и CDMA-800 в Москве Исходные данные для расчета Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) сотовых систем различных стандартов, действующих на одной территории, может возникнуть, если рабочие …

  • Применение магнетронных генераторов большей мощности в радиолокационных системах
  • … этим к материалу катода предъявляется также требование высокой вторичной эмиссии. Основное назначение современных импульсных магнетронных генераторов — передатчики радиолокационных станций и других радиотехнических устройств, в том числе линий импульсной связи, радиоотелеметрических систем, маяков …

  • Радиоэлектронные каналы утечки информации
  • … во времени по синусоидальному закону значений напряженности электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна как носитель информации в радиоэлектронном канале утечки возникает при протекании по проводам электрического тока переменной частоты и распространяются от источника ненаправленного …

  • Автоматизированные системы обработки информации и управления
  • … аппарат Фотонаборный аппарат можно увидеть только в солидной полиграфической фирме. Он отличается своим высоким разрешением. Для обработки информации фотонаборный аппарат оборудуется процессором растрового изображения RIP, который функционирует как интерпретатор PostScript в растровое изображение. …

  • Радиорелейная и радиотропосферная связь
  • … станция Р-419А Рисунок 1.1.3 – Внешний вид станции Р-419А PPC P-419 А предназначена для создания временных быстроразвертываемых малоканальных радиорелейных линий связи, PPC смонтирована на автошасси ЗИЛ-131 в кузове K2-13L Станция имеет три варианта исполнения, отличающихся используемой …

Источник: http://www.KazReferat.info/read/klassifikaciya-radiovoln-i-parametry-antennyh-ustroystv-MTA4MDM0

Классификация радиоволн по диапазонам и способу распространения

Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

При создании конкретных радиолиний, радиоэлектронных средств или радиолокационных станций разработчик имеет возможность задавать параметры как передающей, так и приемной их части, но никакому управлению (кроме специальных случаев) не поддается среда, в которой свободно распространяются радиоволны.

Между тем ее физические свойства подвержены непрерывному, часто случайному изменению из-за естественных явлений в природе.

Для объяснения и учета этих явлений, оказывающих влияние на распространение радиоволн, необходимо иметь достаточно полные данные о физических свойствах земной атмосферы, поверхности суши, моря, знать, как изменяется среда, где распространяются радиоволны, в течение суток, времени года, солнечной активности.

Замечено, что радиоволны различных диапазонов распространяются по-разному. Именно длина волны определяет особенности распространения энергии радиоволн. Поэтому приведем их классификацию по диапазонам частот (табл. 5.1).

По рекомендациям Международного консультативного комитета по радио (МККР) диапазоны электромагнитных волн в герцах определяются выражением (0,3 – 3) 10N,где N– порядковый номер диапазона.

В 1992 году МККР (CCIR:- Comiteconsultatifinternationalpourlaradio) был преобразован в InternationalTelecommunicationUnion – RadiocommunicationSector (ITU-R): Сектор радиосвязи Международного Союза Электросвязи (МСЭ).

Принято относить к радиоволнам электромагнитные колебания, длина которых лежит в диапазоне от 10000 км до 0,1 мм, что соответствует частотам колебаний от 30Гц до 3000 ГГц (табл. 5.1).

Вплотную к крайне высокой части радиодиапазона примыкают инфракрасный и оптический диапазоны, в которых работают тепловизоры, системы наведения, оптические квантовые генераторы и приемники, инфракрасные и оптические локационные системы, нашедшиеширокое применение в ВМФ.

Таблица 5.1Классификация диапазонов частот электромагнитных волн

Номер диапазона Диапазон частот Наименование, частота Диапазон волн (длинаволны) Наименованиеволн Используемые термины Область применения
  РАДИОВОЛНЫ  
0,03 … 30 кГц ОНЧ (VLF) Очень низкиечастоты 10000… 10 км Мириаметровые Сверхдлинные волны Радиосвязь с подводными лодками в подводном положении, радионавигация.
30 … 300 кГц НЧ (LF) Низкие частоты 10 … 1 км Километровые Длинные волны Радионавигация, передача сигналов точного времени кораблям и судам в море, различного вида оповещений, включая навигационные.
300 …3000 кГц СЧ (MF ) Средние частоты 1000 – 100 м Гектометровые Средние волны Радионавигация, радиосвязь с судами, радиовещание, передача прогнозов погоды, навигационных оповещений.
3 … 30 МГц ВЧ (HF) Высокие частоты 100 … 10 м Декаметровые Короткие волны Радиосвязь, загоризонтная радиолокация.
30 … 300 МГц ОВЧ (VHF) Очень высокие частоты 10 … 1 м Метровые Ультракороткиеволны Радиосвязь, телевидение, радионавигация.
300 …3000 МГц УВЧ (UHF) Ультравысокие частоты 100 … 10 см Дециметровые волны Ультракороткиеволны Радиосвязь, радиолокация, телевидение, спутниковая, тропосферная радиосвязь, сотовые системы связи.
3 …30 ГГц СВЧ ( SHF ) Сверхвысокиечастоты 10 … 1 см Сантиметровые волны Ультракороткие волны Радиолокация, спутниковая и радиорелейная связь, спутниковое телевидение, промышленный нагрев материалов, медицина.
30 … 300 ГГц КВЧ (EHF) Крайне высокие частоты 10 … 1 мм Миллиметровые волны Ультракороткиеволны Радиосвязь за пределами атмосферы,радиолокация, радиорелейная связь.
300 … 3000 ГГц ГВЧ (HHF)Гипервысокие частоты 1 … 0, 1 мм   Децимиллиметровые волны Перспективный диапазон.
  ИЗЛУЧЕНИЯ  
31012..3,8 1014 Гц Инфракрасное излучение 100 … 0.78 мкм Тепловое излучение Пассивная локация, устройства самонаведения, волоконно-оптические системы связи, лазеры, охранные системы.
3,8 1014…7,8 1014Гц Оптическое излучение 0,78 … 0,38 мкм Видимый свет Оптическая локация, лазерные гироскопы и дальномеры, космические и лазерные системы связи, промышленная резка металла, медицинские лазеры, лазерное оружие, др.
7,8 1014…3 1016 Гц Ультрафиолетовое излучение 0,38 … 0,01 мкм Ультрафиолетовое излучениесолнца Охранные системы, медицина.
3 1016… 3 1019Гц Рентгеновское излучение 0,01 мкм … 0,00001 мкм Рентгеновское излучение солнца, радиоактивных материалов Приборы дефектовки металлов, медицина, рентгеновские приборы и др.

В основу деления радиоволн на указанные диапазоны положен десятичный принцип, учитывающий в то же время различия в способах их генерации, приема и особенности распространения волн каждого диапазона.

В оптическом диапазоне по мере уменьшения длины волны все в большей степени проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и все меньше его волновые свойства. Поэтому при наименовании диапазонов обычно говорят о сантиметровых, миллиметровых волнах, но об инфракрасном и оптическомизлучении.

Вспомним, чем же характеризуются радиоволны?

Такие характеристики радиоволны, как амплитуда, Нм, Ем, ее длина λ видны из рисунка 5.2.

Рисунок 5.2 – Вид электромагнитной волны в среде без потерь

в фиксированный момент времени

Длина волны связана с ее частотой простым соотношением

(5.1)

где с=3∙108 м/с – скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве;

f– частота радиоволны, Гц.

Иначе, длина волны – это путь, проходимый волной за период ее колебания. Скорость распространения радиоволны зависит от свойств среды, в которой распространяется волна, т. е. ее диэлектрической Ɛ и магнитной µ проницаемостей:

  .(5.2)

Если распространение волны происходит в среде с потерями, то амплитуда ее убывает по закону

.

где z – путь, пройденный волной в среде с потерями;

α–икоэффициент затухания волны в конкретной среде.

Уравнение волны для среды с потерями запишется

. (5.3)

где к=/ λ – волновое число.

Другие параметры волны, например, ее поляризация, постоянная распространения, фаза, фронт и луч волны были подробно рассмотрены в части 1 главы 3 данного пособия.

Говоря о свободно распространяющихся радиоволнах, отметим, что распределение поля в пространстве определяется только диаграммами направленности антенн, параметрами суши или моря и атмосферы Земли.

Рисунок 5.3 – Способы (механизмы) распространения радиоволн

В большинстве практических случаев передающий и приемный пункты радиолинии располагаются либо на Земле, либо близко от ее поверхности. Электромагнитные волны, излучаемые передающей антенной, приходят в приемный пункт разными путями, т. е. Земля и окружающая ее атмосфера существенно влияют на характер распространения радиоволн.

Приведем классификацию способов (механизмов) распространения радиоволн в окружающем пространстве.

Волны, распространяющиеся между передающим и приемным пунктами по прямолинейной траектории, называются прямыми, а распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции получили название поверхностных или земных волн.

Например, радиосвязь между космическими объектами, высоколетящими самолетами, радиолокационное наблюдение за целями осуществляются прямыми радиоволнами (рис. 5.3, а). Распространение электромагнитной энергии прямыми волнами характерно для радиоволн всех диапазонов.

Поверхностные волны также имеют место при распространении радиоволн всех диапазонов. Однако практическое значение поверхностные волны приобретают для длинноволновой части радиодиапазона (рис. 5.3, б).

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния (несколько тысяч километров) и способные огибать земной шар в результате отражений от ионизированных слоев атмосферы и поверхности Земли, называются пространственными волнами
(
рис. 5.3, в).

Кроме того, к приемному пункту радиолинии могут приходить радиоволны (в диапазоне дециметровых, метровых волн) с расстояний примерно 1 000 км за счет рассеяния в нижнем слое атмосферы, называемом тропосферой. Такие волны получили название тропосферных волн(рис.5.3, г).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/19_258037_klassifikatsiya-radiovoln-po-diapazonam-i-sposobu-rasprostraneniya.html

Реферат: Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

Классификация радиоволн и параметры антенных устройств

АКАДЕМИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

По дисциплине: Физика

Тема: «Классификация радиоволн и параметры антенных устройств».

2008

Введение…………….……………………………………………….……………3

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения…….4

Параметры антенн…………………………………….…………………………..9

Заключение…………………………………………………………………….…14

Список литературы……………………………………………………………….15

Введение

В настоящее время широкое распространение получила техника связи, в которой используется приемо-передатчик, работающий в диапазоне радиоволн. Но мало кому известно, что это за волны, каковы принципы передачи информации с их помощью.

В данной работе мы постараемся на доступном уровне рассказать о классификации радиоволн, о способах их распространения, а также проанализируем основные параметры радиопередающих антенных устройств.

Ведь в современном мире радиосвязь, радиовещание имеют огромное значение.

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения.

Одной из важнейших характеристик любой реальной радиолинии, является преобладающий способ распространения электромагнитной волны.

Он ограничивает максимальную дальность связи и скорость передачи информации, определяет медианный множитель ослабления, период и глубину замираний сигнала, условия ЭМС различных радиоэлектронных средств и т. д.

В свою очередь преобладание того или иного способа распространения на данной трассе определяется рабочей частотой. Поэтому, большую практическую значимость имеет деление радиоволн по диапазонам частот (волн) и по способам их распространения.

Деление радиочастот и радиоволн на диапазоны, установлено международным регламентом радиосвязи.

В соответствии с этим регламентом весь спектр электромагнитных волн и частот делят на ряд диапазонов, номера которых «n» определяют их нижние (исключительно) 0,3×10n Гц и верхние (включительно) 3×10n Гц частоты.

При этом часть свободно распространяющихся в природных условиях ЭМВ, использующихся в радиотехнике для передачи сигналов, называют радиоволнами. К радиоволнам относятся диапазоны с n= 4¸12, наименование которых приведено в таблице 1.

Таблица 1

nГраничные частотыНаименование диапазона частотГраничные длины волнНаименование диапазона волн
43–30 кГцОчень низкие (ОНЧ)100–10 кмМириаметровые или сверхдлинные (СДВ)
530–300 кГцНизкие (НЧ)10–1 кмКилометровые или длинные (ДВ)
60,3–3 МГцСредние (СЧ)1000–100 мГектометровые или средние (СВ)
73–30 МГцВысокие (ВЧ)100–10 мДекаметровые или короткие (КВ)
830–300 МГцОчень высокие (ОВЧ)10–1 мМетровые (МВ)
90,3–3 ГГцУльтравысокие (УВЧ)100–10 смДециметровые (ДМВ)
103–30 ГГцСверхдлинные (СВЧ)10–1 смСантиметровые (СМВ)
1130–300 ГГцКрайневысокие (КВЧ)10–1 ммМиллиметровые (ММВ)
120,3–3 ТГцГипервысокие (ГВЧ)1–0,1 ммДецимиллиметровые (ДММВ)

Опираясь на принятую десятичную классификацию, ширину спектра соответствующего диапазона определяют по формуле:

. (1)

Эволюцию практического использования диапазонов радиоволн можно обозначить несколькими этапами.

На первом этапе развития радиотехники (примерно до 1918 года), потребности радиосвязи удовлетворялись в основном за счёт использования диапазонов СДВ и ДВ. Электромагнитные волны указанных диапазонов обладают хорошим круглосуточным распространением вокруг Земли и поэтому наиболее пригодны для систем глобальной радиосвязи, радионавигации и морской подвижной радиосвязи.

В то же время, к недостаткам практического использования указанных диапазонов следует отнести: громоздкостью антенных устройств, наличие высокого уровня атмосферных и промышленных помех, низкую пропускную способностью радиотракта.

На втором этапе (примерно до 1940года), с появлением и развитием таких областей прикладной радиотехники как: радиосвязь и радиовещание, радионавигация и радиолокация, возникла необходимость в использовании более высокого диапазона радиочастот.

В частности, стали осваиваться СВ, имеющие те же преимущества и недостатки (но менее выраженные), что и ДВ, а также KB, которые на большие расстояния распространяются путём многократного отражения от земной поверхности и ионосферы.

Радиоволны КВ диапазона оказались пригодными не только для глобальной радиосвязи и радиовещания, но и для различных систем подвижной и радиолюбительской связи.

Однако в точку приёма радиоволны КВ диапазона как правило приходят различными путями, что приводит к явлению интерференции ЭМВ и, как следствие, к быстрым и глубоким изменениям уровня принимаемого сигнала.

Наконец на третьем, современном этапе, когда быстрыми темпами продолжают развиваться прежние службы радиосвязи и появились новые (подвижная и космическая радиослужбы, телеметрия, телеуправление и др.), радиоспециалисты были вынуждены обратиться и к остальным диапазонам радиоспектра.

Самое широкое применение в различных областях практической деятельности человека нашли MB.

Электромагнитные волны этого диапазона слабо подвержены таким явлениям как дифракция и рефракция, но, в то же время, испытывают сильное ослабление при распространении вдоль поверхности Земли.

В диапазоне МВ уровень атмосферных и индустриальных радиопомех значительно меньше, чем в выше рассмотренных диапазонах и поэтому доминирующими становятся помехи космического происхождения.

Распространение ДМВ и СМВ, так же как и МВ ограничивается, как правило, областью прямой видимости. Однако за счет механизма рассеяния и отражения электромагнитных волн слабыми неоднородностями тропосферы, экспериментально обнаруженного в начале 50-х годов, радиосвязь в этих диапазонах может осуществляться и на значительно большие расстояния, чем расстояние прямой видимости.

ДМВ и СМВ используются, как правило, в радиолокации, радионавигации, телевидении, в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи, так как в этих диапазонах острую направленность антенн можно получить в совокупности с относительно небольшими их габаритами. Кроме этого, практическое отсутствие в диапазонах ДМВ и СМВ индустриальных радиопомех, а также слабой зависимости условий распространения ЭМВ от метеорологических условий, времени суток и года, увеличивает привлекательность их дальнейшего использования.

Несмотря на многолетние исследования, ММВ и ДММВ используются пока еще недостаточно широко. Основной причиной отсутствия значительного прогресс в области их практического применения является сильная зависимость условий распространения ЭМВ указанных диапазонов от дождя, снега, тумана, облаков, пылевых образований и других природных явлений.

Следует подчеркнуть, что нарезание одинаковых по перекрытию участков (10:1) придаёт современной системе классификации несколько формальный, искусственный характер.

Резкие разграничения в свойствах волн различных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны плавно переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте, такое деление полностью оправдало себя.

Гораздо более сложным и строгим является деление радиоволн по механизмам и способам распространения. В принципе, в природе существует единый процесс возбуждения электромагнитного поля во всём окружающем пространстве. Однако в общем случае строгий метод расчета такого поля в настоящее время недоступен.

В то же время, на реальных радиотрассах большая часть энергии поля сигнала переносится в пункт приёма за счет одного, преобладающего механизма распространения.

Поэтому классификацию ЭМВ по способу их распространения целесообразно увязывать с такими присущими им явлениями как рефракция, дифракция, рассеяние, отражение и преломление показанными на рисунках (7¸10).

Радиоволны, излучаемые передающей антенной могут распространяться в атмосфере Земли, вдоль ее поверхности, в толще

Земли и в космосе достигая точки приема по траекториям, показанным на рисунке 11.

В зависимости от вида траектории ЭМВ различают:

1) прямые РВ – рисунок 11г;

2) поверхностные РВ – рисунок 11а;

3) тропосферные РВ – рисунок 11в;

4) ионосферные РВ – рисунок 11б.

Прямые волны – это радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабонеоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям.

Поверхностные волны – радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции.

Тропосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000км) расстояния за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Ионосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.

Параметры антенн.

Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными.

Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника.

Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи.

Параметры и характеристики передающих антенн

Принципиальным отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения.

Антенна по отношению к передатчику с одной стороны выполняет функцию нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является комплексным.

(2)

где – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны;

– реактивная составляющая входного сопротивления, соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны .

С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне:

(3)

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами.

Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности .

Эти величины зависят от расстояния и направления излучения, то есть от углов и сферической системы координат.

Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны называется характеристикой направленности, то есть

(4)

Обычно характеристику направленности нормируют к единице путем деления ее на величину максимальной напряженности поля, создаваемой в направлении максимума излучения:

. (5)

Иногда пользуются понятием характеристики направленности по мощности, которая равна квадрату характеристики направленности по полю. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.

Построение диаграммы направленности возможно в полярной или прямоугольной системах координат.

В общем случае может быть построена пространственная диаграмма направленности, но так как данная процедура весьма затруднительна, то на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений, например сечений двумя ортогональными плоскостями, проходящими через максимум излучения. На рисунке 12.

а показана пространственная диаграмма направленности антенны, обладающей остронаправленным излучением, а также изображение этой диаграммы для одной плоскости в полярной (рисунок 12б) и прямоугольной (рисунок 12в) системах координат.

Степень концентрации электромагнитной энергии в главном направлении характеризуется шириной главного лепестка (шириной диаграммы направленности).

Шириной диаграммы направленности называют угол между двумя направлениями, в пределах которого напряженность поля уменьшается в раз, а мощность – в два раза по сравнению с ее максимальным значением.

На рисунке 13 показан пример определения ширины главного лепестка диаграммы направленности по полю.

Для количественной оценки свойства антенны концентрировать излучение энергии ЭМВ в определенном направлении вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны к мощности излучения данной антенны , создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля:

, (6)

Рис12.

Рис.13

Для произвольного направления КНД определяется соотношением:

(7)

КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне.

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны (КУ).

КУ принято обозначать через и количественно определять соотношением:

(8)

Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении главного излучения, с током в передающей антенне, имеет размерность длины и называется действующей длиной антенны.

С физической точки зрения действующую длину антенны можно представить как длину некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей в направлении максимума излучения ту же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна.

Геометрическая интерпретация данного определения показана на рисунке 14.

Параметры и характеристики приемных антенн.

Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн можно использовать и для характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл.

Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная площадь антенны “А”, позволяющая оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

Эффективной площадью антенны “А” называют отношение максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку к величине вектора Пойнтинга “П” приходящей плоской волны:

(9)

С физической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны.

Между эффективной площадью “А” и коэффициентом усиления антенны существует простая связь:

.

Заключение.

Итак, в этой работе мы постарались рассмотреть наиболее широко распространенную классификацию радиоволн. И видим, что она достаточно широка, а современная наука и техника не стоит на месте, а стремительно движется вперед.

Возможности радиодиапазона далеко не исчерпаны и таят в себе огромный потенциал для дальнейших исследований, дальнейшего расширения диапазона.

Для этого необходимы новые конструкторские решения, которые в частности касаются и антенно-фидерных устройств, составную часть которых, а именно антенное устройство, мы рассмотрели в данном реферате; ознакомились с его основными параметрами. Поэтому считаю, что радиоэлектронику ждет великое будущее, и она сыграет значимую роль в развитии цивилизации.

Список литературы.

· “Электродинамика и распространение радиоволн” С.Сергеев, Орел, ВИПС

· «Основные закономерности распространения прямых радиоволн и работы радиолиний». Лазоренко, Орел, ВИПС

Источник: https://www.bestreferat.ru/referat-117026.html

Vse-referaty
Добавить комментарий