Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

Рис. 10.16. Радиолокационная система

К недостаткам волн этого диапазона следует отнести их поглощение гидрометеорами — дождем, снегом, градом, туманом. Волны диапазона КВЧ вдобавок ко всему поглощаются молекулами кислорода и водяными парами. Чтобы радарные системы работали эффективно, приходится излучать большие мощности, разрабатывать достаточно сложные схемные и конструктивные решения такой аппаратуры. Но сегодня от радаров отказываться рано, поскольку они — основное средство морской и летной навигации, противовоздушной обороны.

Распространение радиоволн — очень серьезная и сложная наука, которой занимаются ученые всего мира. В России этой проблемой занимается институт земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), расположенный в Московской области. Институт регулярно публикует прогнозы распространения радиоволн, предназначенные как для профессиональных связистов и навигаторов, так и для радиолюбителей.

Виды антенн и что из них можно использовать дома

То, что кажется странным, редко остается необъясненным.

Георг Кристоф Лихтенберг

Радиосвязь и радиовещание немыслимы без антенной техники. Антенны, — излучающие и принимающие радиоволны, использовались, как мы успели убедиться, и на заре радиотехники, применяются они и сейчас. К настоящему времени разработано великое множество антенн разных размеров, конструкций, эффективности. Появилась даже целая наука, занимающаяся только антенной техникой. Поскольку мы только начинаем вступать в мир радиоволн, нам просто необходимо познакомиться с наиболее распространенными типами антенн. Однозначно можно утверждать, что без антенны ваш радиоприемник будет только шипеть, а позывные вашего радиопередатчика никто не сможет принять.

Где можно увидеть антенну? Во-первых, обратите внимание на крышу своего дома. Наверняка вы заметите там телевизионную антенну, принимающую телесигнал. Это — приемная антенна. Она может иметь множество конструктивных вариантов — две простые трубочки, напоминающие вибратор Герца, подковообразную горизонтальную сплюснутую петлю, «паутинку» в круглом обруче, несколько ромбиков, расположенных друг над другом. Горизонтальную трубку, поперек которой установлена «лесенка» из таких же трубочек. Эти антенны имеют свои названия — диполь, петлевой вибратор, «паутинка», ромбическая, волновой канал (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Виды используемых в телевидении антенн:

а — диполь; б — петлевой вибратор; в — «паутинка»; г — ромбической; д — волновой канал

Имеется еще ряд конструкций, которые мы здесь не называем. Телевизионные антенны могут также состоять из нескольких вариантов антенн, установленных на одной несущей мачте. Этим достигается оптимальный прием сигналов разных частот. Антенны в таком случае просто переключаются, или их сигналы складываются в специальном устройстве — частотном сумматоре.

Значительно отличается от приемных конструкция передающих телевизионных антенн (рис. 10.18).

Рис. 10.18. Передающая ТВ антенна

Мы уже знаем, что телевещание возможно в диапазоне волн не ниже УКВ. Из-за этого передающая антенна требует установки на большой высоте — иначе территориальный охват будет очень маленьким. Уникальные сооружения, создаваемые для передающих телеантенн, — телебашни, — наряду с другими историческими памятниками, стали символами крупных городов. Порой только по одному виду, открывающемуся на телебашню, можно назвать город. Передающая телеантенна состоит из ряда дипольных излучателей (вибраторов Герца), расположенных вертикально на специально рассчитанном расстоянии друг от друга.

Излучателей может быть много — десять и больше. Зачем? Если, скажем, передающую антенну выполнить в виде одного диполя, то окажется, что большая часть сигнала будет «уходить» не по направлению к земному горизонту, но также и вверх. Для кого нужны такие растраты сигнала? Для птиц и космонавтов? Электромагнитная волна, формируемая телеантенной, должна иметь вид, напоминающий луч прожектора. А обеспечивает «луч» как раз линейка диполей, выстроенных в ряд. Специалисты говорят, что антенна приобретает острую направленность.

Здесь мы подошли к одному из главных свойств любой антенны, называемом диаграммой направленности. Представить диаграмму направленности можно из следующего примера. Допустим, мы окружили антенну большой шарообразной оболочкой, напоминающей мыльный пузырь, и стремимся замерить в каждой его точке уровень сигнала, исходящий от антенны. Если излучение ненаправленное, в каждой точке пузыря мы измерим одинаковый уровень. А если имеется направленность, на пузыре образуется как бы пятно. Это пятно — зона максимального излучения антенны (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Диаграмма направленности антенны:

1 — слабонаправленной; 2 — остронаправленной

Диаграммой направленности характеризуются и приемные антенны. Направленные антенны, кстати, более предпочтительны в технике телеприема, так как меньше «насасывают» помехи со сторон, расположенных вне зоны максимума сигнала. Однако их надо точнее устанавливать в направлении на передающую антенну.

Чем еще характеризуется та или иная антенна? У нее есть очень важный параметр — действующая высота. Чтобы понять, что такое действующая высота, взглянем на рис. 10.20.

Рис. 10.20. Эквивалентное представление антенны через источник ЭДС

Антенна — это всего лишь преобразователь электромагнитной волны в ЭДС. Причем, преобразовываться в ЭДС может, как мы уже знаем, и электрическая, и магнитная составляющие. Электромагнитная волна в любой точке пространства характеризуется напряженностью своих компонент — электрической и магнитной. Но напряженность электрического поля, единицей которой служат [В/м], должна быть как-то преобразована в вольты, которые можно будет подвергнуть преобразованиям в тракте радиоприемника. Очевидно, что, домножив напряженность поля на единицу длины, мы и получим те самые долгожданные вольты:

Ec = E·hд

где Ес — ЭДС сигнала на входе приемника, В;

Е — напряженность электрического поля в точке приема, В/м;

hд — коэффициент пропорциональности (действующая высота антенны), м.

Какую информацию несет это соотношение? Очень важную! Оказывается, действующая высота антенны зависит не только от собственно высоты ее установки, но также и от конструктивных параметров. Соответственно, установив в одной и той же точке две разные по конструкции антенны, можно получить разный уровень ЭДС на ее выходе!

Как видно из рис. 10.20, антенна представляет собой простой генератор ЭДС со своим внутренним сопротивлением Za. Наличие этого внутреннего сопротивления, которое, в зависимости от конструкции антенны и длины волны, принимаемой ею, может быть и чисто активным, и реактивным. В этой книге мы не будем подробно рассматривать вопросы, связанные с сопротивлением антенны, скажем лишь, что данное обстоятельство вызывает необходимость согласовывать радиоприемник с антенной для более эффективного приема. Теория антенной техники утверждает, что лучше всего передавать в нагрузку (на вход радиоприемника) максимальную мощность, а для этого необходимо соблюсти условие равенства сопротивлений антенны и нагрузки.

Поговорим теперь о конструкциях антенн. Самая простая и до сих пор популярная у радиолюбителей — симметричный вибратор (диполь, вибратор Герца), изображенный на рис. 10.21.

Рис. 10.21. Симметричный вибратор (диполь)

Антенна состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включена линия, соединяющая антенну с приемником, — фидер. Наиболее эффективным считается полуволновой вибратор, у которого длина плеча (l) выбирается равной четверти длины принимаемой волны (λ). Отсюда следует важный вывод: практически все антенны имеют неравномерную частотную характеристику. То есть наиболее эффективный прием будет осуществляться для волны какой-то определенной длины. Чем больше длина волны отличается от расчетной, тем хуже условия приема.

Это обстоятельство заставляет использовать разные антенны для приема волн разных длин. Однако волны с примерно близкими длинами чаще всего можно принимать на одну и ту же антенну, спроектированную на середину диапазона, — без заметного ухудшения качества приема.