Основываясь на опытах английского физика Майка Фарадея, явление приёма и передачи энергии электромагнитных волн на расстоянии впервые открыл немецкий физик Генри Герц. Однако в своих опытах он дальше не пошёл. Наибольший вклад в область практического применения радиоволн для передачи информации внесли другие учёные: А.С. Попов, Маркони, Н. Тесла.
Что
же такое электромагнитные волны? Это распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитных волн в
свободном пространстве (ваукуме) близка к скорости света и составляет
300 000 км/с. При распространении радиоволн в каких либо других средах
скорость их распространения уменьшается.
Главной
характеристикой электромагнитной волны является её длина λ,
которая напрямую зависит от частоты возбуждающего её сигнала f:
λ = 300 000 ⁄ f
где λ измеряется в м, f - в кГц
Электромагнитные волны обладают теми же свойствами что и свет. Им присущи свойства отражения, (рефлексии) изменения скорости распространения при переходе в среду с другой диэлектрической проницаемостью или преломления (рефракции) и способностью огибать препятствия (дифракции).
При изучении свойств электромагнитных волн было установленно, что эти свойства присущи волнам большей или меньшей длины в разной степени и кроме того, радиоволны разных длин по разному взаимодействуют с различными веществами, с атмосферой и ионогсферой Земли. Для того, чтобы сгруппировать радиоволны различной длины по присущим только им свойствам, весь спектр электромагнитного излучения был разделён на группы - диапазоны: сверхдлинные волны (СДВ), длинных волн (ДВ), коротких волн (КВ), ультракоротких волн (УКВ) и др.
На рисунке показано распространение радиоволн в зависимости от длины волны: 1-земной луч; 2-отраженный луч; 3-ионосфера.
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны. Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землёй, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает ещё и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приёмник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше её попадает в антенну. Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи. Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно. Ещё в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землёй существует ионизированный слой воздуха - естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.
Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров "мёртвой зоны". Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не "успокаивается", а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар. Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит её отражение и, следовательно, больше "мёртвая зона". Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25-30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.
Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150-200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям. Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы её размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча. При приёме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.
Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьёзной помехой, сильно ограничивающей дальность связи. Мы выяснили, что волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества.
Изотропная антенна.
Изотропная
антенна - теоритичесчкая антенна, бесконечно малых размеров,
излучающая одинаковой силы сигнал во всех направлениях. Диаграмма
направленности такой антенны - сфера.
Изотропную антенну можно сравнить с крошечной лампой накаливания,
помещённой в центр
большой сферы. Лампа будет освещать любую часть площади поверхности
сферы с одинаковой
интенсивностью, освещённостью.
Такой антенны не существует в природе, но использование этого понятия
часто оказывается очень полезным при сравнении усиления других антенн с
усилением изотропной антенны, которое принемается за 0 dBi, т.е. точку отсчёта.
Как правило, если не оговорено специально, характеристики усиления реальных антенн даются именно относительно
усиления изотропного излучателя.
То есть, когда вам говорят, что коэффициент усиления какой-то антенны равен 12 децибел, подразумевается 12 дБи.
Антенны в свободном пространстве.
Свободное пространство - это такие условия, когда нет земли или каких-либо отражающих волны поверхностей. Антенны, существующие в реальной жизни, всегда излучают энергию в каком-то направлении лучше, а в каком-то хуже. Например, диполь, который излучает максимум энергии под прямым углом к полотну антенны в азимутальной плоскости. За счёт такой характеристики диполь имеет коэфициент усиления 2,14 dBi, т.к. является, по сути, двунаправленной антенной, в отличии от всенаправленной, изотропной.
Антенна над землёй.
Если мы разместим наш диполь A над землёй, которая имеет отражающую способность, на высоте H=0,5λ, то часть волн B, излучённая антенной под углом к горизонту, сложится в фазе с волной D, отражённой от земли, в результате чего суммарное поле удвоится в определённой точке полусферы, т.е. энергия поля увеличится на 3 dB.
Поскольку в противоположном направлении (диполь излучает в двух направлениях) произойдёт то-же, то можно считать, что суммарное усиление диполя увеличится на 6 dB, по сравнению с диполем, расположенным в свободном пространстве. Поскольку усиление диполя в свободном пространстве изначально больше усиления изотропного излучателя на 2,14 dB, усиление такого диполя у земли будет 8,15 dBi или 6 dBd (Знак dBd указывает на то, что антенна сравнивается с диполем в свободном пространстве.). Реально усиление диполя будет несколько меньше, т.к. земля не является идеальным отражателем, рефлектором для волн. Всегда существуют потери в земле, в результате чего не вся энергия отразится от земли, а только её часть, и поэтому поле в сумме не удвоится, а увеличится меньше, чем в два раза. Плохое качество земли снижает ток излучения нашей антенны, а как мы узнаем ниже, именно ток антенны определяет её диаграмму направленности, усиление антенны.
При приёме пришедшая волна, пройдя через антенну, наводит в ней ток. Но ток должен без потерь уйти в землю и далее вернуться к источнику, т.е. к радиостанции, которая излучает этот ток. Если земля будет плохой, то часть тока будет потеряна в земле. Поскольку антенна и земля - последовательная для тока цепь, то уменьшение тока за счёт потерь в земле вызовет неизбежное уменьшение тока в антенне.
При выборе той или иной антенны, не говоря, уж, о её настройке, необходимо знать несколько основных параметров, к которым можно отнести следующие:
Резонансная частота.
Резонансная частота антенны связана непосредственно с конкретным диапазоном частот, на котором осуществляется приём или передача радиосигналов. Антенна излучает или принимает электромагнитные колебания с наибольшей эффективностью тогда, когда частота возбуждающего колебания совпадает с резонансной частотой антенны. Из этого следует, что её активный элемент, вибратор или рамка имеют такой линейный размер, при котором наблюдается резонанс на нужной частоте. Изменением линейных размеров активного элемента - излучателя, антенна настраивается в резонанс.
Сопротивление излучения или импеданс.
Сопротивление излучения - отношение мощности, излучаемой антенной, к квадрату тока, питающего антенну:
R = P / I²,
где
P - мощность, излучаемая антенной, Вт;
R - сопротивление
излучения, Ом;
I - эффективное значение тока, А.
Величина
R зависит от типа антенны, её размеров (по отношению к длине волны) и
точки подключения питающего фидера. В общем случае сопротивление
излучения имеет комплексный характер, т.е. кроме активной составляющей
R имеет реактивную составляющую X.
Сопротивление
излучения (импеданс) антенны изменяется вдоль ее длины. Точка
максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему
импедансу и называется точкой возбуждения. Импеданс в этой точке
называется входным импедансом. Реактивная составляющая входного
импеданса на резонансной частоте равна нулю. На частотах выше
резонансной, импеданс носит индуктивный характер, а на частотах ниже
резонансной - емкостной. На практике реактивная составляющая в
большинстве случаев меняется от О до +/-100 Ом. Импеданс антенны может
зависеть и от других факторов, например, от близости расположения к
поверхности Земли или каким-либо проводящим поверхностям. В идеальном
случае симметричный полуволновой вибратор имеет сопротивление излучения
73 Ом, а четвертьволновой несимметричный вибратор - 35 Ом. В реальности
влияние Земли или проводящих поверхностей может изменить эти
сопротивления от 50 до 100 Ом для полуволновой и от 20 до 50 Ом для
четвертьволновой антенны.
Диаграмма направленности.
Антенны стараются конструировать таким образом, чтобы они принимали и передавали в заранее выбранном направлении. Это свойство называется направленностью. Оно играет важную роль для повышения коэффициента усиления и КПД излучения. Характер излучения антенны в пространстве описывается диаграммой направленности. Кроме излучения в основном (главном) направлении, существуют побочные излучения - задние и боковые лепестки. диаграмма направленности вращающейся передающей антенны снимается измерением напряженности поля в фиксированной точке на частоте передачи, в зависимости от угла поворота.
Полоса пропускания.
Как
правило, различают два класса антенн: узкополосные и широкополосные.
Очень важно, чтобы в рабочем интервале частот поддерживалось хорошее
согласование и заданное усиление. Полоса пропускания антенны не должна
меняться при перестройке по частоте передатчика или приемника. К
узкополосным антеннам относятся все простые резонансные антенны, а
также направленные такие как "волновой канал" и "квадрат". Например,
антенна "волновой канал" на радиолюбительский диапазон 144 МГц должна
иметь полосу пропускания не менее 2 МГц (144 - 146 МГц) и оптимальное
согласование в этой полосе частот.
Широкополосные отличаются
большим охватом частот, во много раз превосходящим резонансные системы.
К ним относятся логопериодические и спиральные антенны. Но бывают и
исключения, например, логопериодическую антенну можно рассчитать
специально для работы в узкой полосе частот.
Усиление.
Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной. Высокий коэффициент усиления можно получить, сконцентрировав энергию излучения в одном направлении. Полная излучаемая энергия не изменяется, она лишь сосредотачивается в заданном направлении. Коэффициент направленного действия (КНД) является мерой увеличения потока мощности за счет сжатия диаграммы направленности. Антенна может иметь высокий КНД, но малый коэффициент усиления, если потери в ней велики. Это обстоятельство, собственно, и приводит к малому КПД излучения. Коэффициент усиления G - это сравнительная величина, показывающая отношение мощности P1, излучаемой реальной антенной к мощности эталонной антенны P2, в качестве которой рассматривают полуволновой вибратор, размещённый в свободном пространстве (вакууме) и имеющем круговую диаграмму направленности.
G = P1 / P2
Из этой формулы следует, что коэффициент усиления антенны - безразмерная величина. На практике его выражают несколько иначе - через логарифмическое отношение мощностей, напряжений или токов в децибелах (dB):
G = 10 lg P1 / P2
G = 20 lg U1 / U2
G = 20 lg I1 / I2
Выражение коэффициента усиления в децибелах упрощает расчёты и позволяет производить их через простые операции сложения и вычитания. Если, например, антенна имеет коэффициент усиления 6 dB, а кабель, соединяющий её с радиостанцией вносит затухание в 1 dB, то суммарное значение коэффициента усиления антенной системы составит 6 - 1 = 5 dB.
Часто в описаниях антенн и рекламных проспектах можно встретить такие единицы измерения коэффициента усиления антенн, как dBi и dBd. Их нужно уметь различать. Как уже упоминалось выше, коэффициент усиления антенны - величина относительная, которая характеризует направленные свойства антенны относительно источника с круговой диаграммой направленности. В расмотренных выше примерах и на практике коэффициент усиления антенн измерен в dB относительно полуволнового диполя, и этот коэффициент усиления соответствует такой единице, как dBd. В сокращении dBd третья буква и обозначает слово "диполь" (dipole). Однако в технике измерения параметров антенн используется также оценка их направленных свойств относительно точечного, или другими словами, изотропного источника излучения и величина коэффициента усиления в этом случае измеряется в dBi, т.е. в тех же децибелах, но со сноской "i", обозначающей слово "изотропный" (isotropic). Величины dBd и dBi связаны между собой соотношением:
dBd = 2,14 + dBi
Это соотношение полезно знать при выборе антенны для того, чтобы иметь верное представление о её коэффициенте усиления.
Коэффициент полезного действия (КПД).
Часть подводимой к антенне мощности излучается в пространство, а другая часть в проводниках антенны превращается в тепло. Поэтому, антенну можно представить как эквивалентное нагрузочное сопротивление состоящее из двух составляющих: сопротивления излучения и сопротивления потерь. Эффективность антенны характеризуется ее КПД или отношением излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне.
η = Pизл / P
Чем
больше сопротивление излучения по отношению к сопротивлению потерь, тем
больше КПД антенны. Напряженность поля, улавливаемая приемником, будет
максимальна, когда передающая и приемная антенны имеют одинаковые
поляризации, однако, это справедливо в том случае, если они находятся в
зоне пря мой видимости. На дальних трассах при многократном отражении
от земли и ионосферы поляризация приходящей волны непредсказуема.
Антенна обладает наибольшей эффективностью, когда частота возбуждающего
колебания совпадает с резонансной частотой антенны. Как правило, длина
антенны кратна или равна половине или четверти длины волны на
центральной рабочей частоте. Однако, из-за емкостных и концевых
эффектов электрическая длина антенны несколько больше ее физической
длины. Поэтому действительная длина вибратора, его геометрическая длина
должна быть немного уменьшена по отношению к его электрической длине. В
справочниках по антеннам приводятся графики или формулы для нахождения
коэффициента укорочения вибратора в свободном пространстве в
зависимости от отношения длины волны к диаметру вибратора. В
действительности коэффициент укорочения определить точно довольно
сложно, т.к. существенное влияние оказывает высота подвеса антенны,
окружающие предметы, проводимость почвы и т.п. В связи с этим, при
изготовлении антенны, необходимо использовать дополнительные элементы
подстройки, позволяющие в небольших пределах изменять линейные размеры
элементов. Точка максимального тока и минимального напряжения
соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения.
Например, для полуволнового, симметричного вибратора это точка питания
антенны. Сопротивление в этой точке называется входным импедансом,
который равен сопротивлению изучения антенны плюс реактивная
составляющая входного импеданса. Это еще раз доказывает необходимость
проведения измерений основных параметров антенны, непосредственно, в
месте ее постоянной эксплуатации.
Сопротивление
антенн можно определить с помощью измерительного моста. Обычно, для
этого используется хорошо известный прибор - мост Уинстона, получивший
еще несколько разных названий, например, близкий нашему сердцу
антенноскоп". Процедура измерения сопротивления излучения антенны,
начинается с определения ее резонансной частоты, для чего можно
воспользоваться гетеродинным измерителем резонанса. Уменьшая или
увеличивая геометрические размеры активного элемента, антенна
настраивается в резонанс и только после этого можно достоверно
определить входное сопротивление. Важно, постоянно помнить, что только
на резонансной частоте антенна имеет чисто активное сопротивление. Если
сопротивление антенны отличается от сопротивления линии питания (фидера
антенны), то его (сопротивление антенны) необходимо трансформировать до
нужного значения с помощью узкополосного или широкополосного
трансформатора. Симметричные антенны обязательно снабжаются
симметрирующим устройством, иначе, будет большая погрешность при
измерениях. Если антенна настроена в резонанс и согласована с линией
питания, то и коэффициент стоячей волны будет равен единице.
Характерно, что такой прибор, как КСВ-метр, стоит далеко не на первом
месте среди измерительных приборов для настройки антенн, скорее всего,
он служит индикатором, следящим за состоянием антенны, трактом питания
и выходным каскадом самого передатчика.