O falach i antenach radiowych.pdf

1. Rozchodzenie się i podział fal radiowych

Cechą każdego systemu radiowego jest

przekazywanie informacji (dźwięku) przez

środowisko propagacji fal radiowych.

Przetwarzanie wiadomości, nadawanie i odbiór

sygnałów radiowych zależą od układu i konstrukcji

urządzeń nadawczo-odbiorczych, czyli od działań

człowieka, natomiast warunki propagacji fal

radiowych zależą od wielu czynników i

okoliczności, pozostających poza wpływem

człowieka.

W każdym miejscu, czasie i zakresie częstotliwości

istnieją w sensie statystycznym pewne warunki

propagacyjne, których znajomość jest konieczna do

optymalnego projektowania i stosowania systemów

radiowych, Zakres częstotliwości wykorzystywany w

systemach radiowych jest bardzo szeroki i obejmuje

częstotliwości od kilku kHz do setek GHz.

Częstotliwości te odpowiadają falom radiowym o

długościach od kilkudziesięciu kilometrów do

części milimetra. Między długością fali

elektromagnetycznej λ , częstotliwością f, a

prędkością rozchodzenia się fali v występuje

zależność:

Dla fal elektromagnetycznych rozchodzących się w

wolnej przestrzeni, prędkość rozchodzenia się fali

jest równa prędkości światła w próżni, w związku z

czym

długość fali oblicza się ze wzoru:

gdzie:

λ - długość fali elektromagnetycznej [m],

f - częstotliwość fali elektromagnetycznej [Hz],

c = 3· 10 8 - prędkość światła w próżni [m/s].

W środowiskach innych jak próżnia prędkość

rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest

zawsze mniejsza od prędkości światła i zależy od

przenikalności elektrycznej danego środowiska.

Prędkość rozchodzenia się fali w danym środowisku

oblicza się ze wzoru:

v =

Oprócz dekadowego podziału częstotliwości

radiowych często stosuje się jeszcze tradycyjny

podział widma częstotliwości na zakresy, który

przedstawiono w tabeli 2.

= λ

Tabela. 2. Tradycyjny podział widma częstotliwości radiowych

Nazwa zakresu

Oznaczenie zakresu

Długość fali[λ]

Częstotliwość fali [f]

fale bardzo długie

VLF

powyżej 20 km

poniżej 15 kHz

fale długie

20 - 1 km

15 - 300 kHz

fale średnie

1000 - 200 m

100 - 1500 kHz

fale pośrednie

200 - 100 m

1.5 - 3 MHz

fale krótkie

100 - 10 m

3 - 30 MHz

fale ultrakrótkie

VHF, UHF

10 - l m

30 - 300 MHz

mikrofale

SHF

poniżej 1 m

powyżej 300 MHz

Przy nadawaniu fal radiowych stosuje się dwa rodzaje emisji:

z modulacją amplitudy — AM ,

z modulacją częstotliwości — FM .

Podział fal radiowych z emisją AM:

fale długie (LF) — od 150 kHz do 285 kHz,

fale średnie (MF) — od 520 kHz do 1620 kHz,

fale krótkie (HF) — od 3,95 MHz do 26,1 MHz.

Podział fal radiowych z emisją FM:

standard OIRT 1 : od (65,5 MHz do 74,0 MHz) ± 50 kHz,

standard CCIR 2 : od (87,5 MHz do 108,0 MHz) ± 50 kHz.

1 OIRT — Organisation International de Radiodiffusion et Television (tzw. standard wschodni).

2 CCIR — Comite Consultatif International de Radiocommunication (tzw. standard zachodni).

v ⋅

2. Rodzaje i sposób rozchodzenia się fal radiowych

Fale radiowe można podzielić na podstawie charakteru drogi, wzdłuż której docierają one od nadajnika do

odbiornika. W zależności od położenia dwóch punktów w przestrzeni, między którymi istnieje łączność

radiowa, można wyróżnić trzy przypadki rozchodzenia się fal:

a) Ziemia — Ziemia,

b) Ziemia — kosmos,

c) kosmos — kosmos.

W przypadku a) mamy do czynienia z rozchodzeniem się fal w otoczeniu Ziemi. Podział tych fal przedstawiono

na rys. l , a sposób ich rozchodzenia — na rys. 2 .

Rys. l. Podział fal rozchodzących się w otoczeniu

Ziemi

Rys. 2. Sposób rozchodzenia się fal w otoczeniu

Ziemi, l — fala powierzchniowa, 2 — fala

troposferyczna, 3 — fala jonosferyczna, 4 — fala

przestrzenna; a, b — fala odbita, c — fala

bezpośrednia, N — nadajnik, O — odbiornik

2.1. Polaryzacja i krótka charakterystyka fal

Polaryzacja fali zależy od tego, w jakiej

płaszczyźnie drga wektor pola elektrycznego E, który

jest zgodny z kierunkiem linii sił tego pola.

Promieniowane fale mogą mieć polaryzację poziomą

(rys. 3) lub pionową (rys. 4). Spotyka się także inne

rodzaje polaryzacji, np. kołową, eliptyczną.

Propagacja fali elektromagnetycznej jest związana z

przenoszeniem energii. Miarą tej energii może być

np. moc przepływająca przez l m 2 powierzchni

prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. W

praktyce dogodniejsze jest operowanie tylko

składową elektryczną fali i określania wartości

skutecznej pola E tej fali, podawanej w V/m.

Wygoda polega na bezpośredniej interpretacji

pomiarowej tej wielkości. Fala elektromagnetyczna

napotykając na swej drodze przewodnik wywołuje

w nim przepływ prądu. Występuje tu analogia do

powstawania prądu w przewodzie objętym

działaniem zmiennego pola magnetycznego.

Upraszczając zagadnienie (pomijając relacje między

długością fali a długością przewodu), można

przyjąć, że np. fala indukująca w przewodzie

pomiarowym o długości l m siłę elektromotoryczną

o wartości 25µV ma natężenie 25 µV/m. Silę

elektromotoryczną, wywołaną przepływem prądu

mierzymy oczywiście między końcami przewodu

pomiarowego.

Rys. 3. Polaryzacja pozioma H (horizontal — poziom; linie sil

pola elektrycznego E promieniowanej fali są równoległe do

powierzchni Ziemi)

Rys. 4. Polaryzacja pionowa V (vertical — pion; linie sił

pola elektrycznego E promieniowanej fali są prostopadłe do

powierzchni Ziemi)

Fala przyziemna rozchodzi się blisko powierzchni

Ziemi i dzieli się na falę powierzchniową i

przestrzenną.

Fala jonosferyczna to taka fala, która dociera do

odbiornika dzięki odbiciu od jonosfery i zawiera się

w zakresie fal średnich i krótkich. Dla fal

ultrakrótkich

o częstotliwości od 30 do 50 MHz jonosfera staje się

„przezroczysta" i fale przenikająją, rozchodząc się w

kosmos. Dla tego zakresu fal jonosfera przestaje

działać jak reflektor i dlatego w łączności

satelitarnej stosuje się fale o bardzo wysokich

częstotliwościach SHF, EHF.

Fala powierzchniowa jest promieniowana przez

antenę nadawczą umieszczoną bezpośrednio na

powierzchni Ziemi i rozchodzi się wzdłuż tej

powierzchni. Zawiera się w zakresie bardzo niskich

częstotliwości i może rozchodzić się na tysiące

kilometrów:

do kilku tys. km dla fal z zakresu VLF, do kilkuset

km dla fal z zakresu MF, do kilkudziesięciu km dla

fal z zakresu HF.

Fala troposferyczna jest to fala, która dociera do

odbiornika dzięki dyfrakcji i refrakcji fal w

troposferze. Umożliwia to budowanie

pozahoryzontalnych, naziemnych stacji radiowych o

zasięgu 200-1000 km.

2.2. Anteny

Antena jest elementem odwracalnym. Oznacza

to, że antena może dokonywać przemiany energii w

obu kierunkach — prądu w.cz. na falę

elektromagnetyczną i fali elektromagnetycznej na

prąd (siłę elektromotoryczną). Antena nadawcza

może być odbiorczą i na odwrót. Ewentualne

różnice dotyczą konstrukcji i wymiarów obu typów

anten.

W przypadku idealnym pożądane byłoby, aby cała

moc prądu zmiennego dostarczanego do anteny była

wypromieniowana. Zbliżenie się do tego ideału

wymaga tzw. dostrojenia anteny. (Antenę możemy

rozpatrywać jako szczególny przypadek obwodu

rezonansowego, złożonego z cewki, kondensatora i

źródła energii. Obwód taki cechuje się

częstotliwością rezonansową, dla której amplituda

prądu zmiennego płynącego w obwodzie osiąga

maksimum. Jeśli w obwodzie takim, uziemionym w

odpowiednim punkcie (rys. 5) zaczniemy rozsuwać

okładziny kondensatora, to linie sił pola

elektrycznego będą obejmowały coraz większą prze-

strzeń. W ostatniej fazie otrzymamy tzw. obwód

otwarty. Charakteryzować się on będzie w dalszym

ciągu częstotliwością rezonansową, większą niż na

początku (ze względu na zmniejszenie pojemności

kondensatora). Przy tej częstotliwości rezonansowej

wypromieniowana ilość energii, doprowadzonej ze

źródła, będzie największa. Częstotliwość ta jest

unkcją wymiarów fizycznych anteny oraz sposobu

jej zasilania (rys. 6).

Rys. 5. Przekształcenie zamkniętego obwodu rezonansowego w antcnc nadawczą

Rys. 6. Porównanie anten Radiostacji Centralnej PR: a) stara antena ćwierćfalowa (Raszyn); b) nowa pólfalowa (Gąbin).

Przy różnych wymiarach promieniują falę o tej samej długości — różnica wysokości jest związana ze

sposobem zasilania.

Istnieje wiele typów anten. Najważniejszy

podział obejmuje anteny linearne i aperturowe.

Anteny linearne mają postać przewodu (bądź układu

przewodów) o długości znacznie większej od

wymiarów poprzecznych. Przykładem takiej anteny

jest zarówno maszt Radiostacji Centralnej, jak i

antena teleskopowa radiotelefonu Trop. Do tej grupy

zaliczamy także np. anteny dipolowe czy prętowe .

W przypadku anten aperturowych wy

promieniowanie fali następuje z powierzchni, która

może mieć rozmaity kształt, np. paraboliczny w

antenach parabolicznych.

Istotnym parametrem określającym antenę jest

charakterystyka promieniowania. W zależności od

potrzeb antena może być przystosowana do

emitowania fali elektromagnetycznej z jednakową

mocą we wszystkich kierunkach (w określonej

płaszczyźnie). W tym przypadku mówimy o

charakterystyce dookól-nej anteny. Charakterystykę

taką mają niemal wszystkie anteny nadawcze

radiofoniczne. Niekiedy istnieje potrzeba

wyemitowania energii w ściśle określonym

kierunku. Służą do tego anteny kierunkowe (rys. 7).

W przypadku anten linearnych uzyskanie dużej

kierunkowości wymaga znacznej rozbudowy anteny.

Mówimy wtedy raczej o zespole anten. Na

charakterystykę kierunkową anteny ma ponadto

wpływ jej usytuowanie względem powierzchni

Ziemi.

Rys. 7. Charakterystyki kierunkowe w płaszczyźnie pionowej anteny ćwierć i pólfalowej pionowej

(a) w płaszczyźnie poziomej dipola o różnych stosunkach długości l do długości fali

(b) oraz charakterystyka anteny kierunkowej

3. Zasady nadawania sygnału radiofonicznego

Foniczny sygnał informacyjny (mowa lub

muzyka) jest przekształcany na odpowiedni

prądowy sygnał mikrofonowy małej

częstotliwości (m.cz.) i przesyłany do irządzenia

nadawczego. W urządzeniu tym następuje

wzmocnienie tego sygnału, 30 czym moduluje

on amplitudowo (AM) lub częstotliwościowo

(FM) falę nośną nadajnika. Dzięki temu sygnał

m.cz. jest przeniesiony do innego zakresu

częstotliwości, dogodnego do transmisji

(zmodulowana fala nośna wysokiej

częstotliwości - w.cz. — nadajnika). Sygnał

zmodulowany w.cz. jest następnie wzmacniany i

promieniowany w postaci fali

elektromagnetycznej przez nadawczą antenę

radiową.

3.1. Struktura informacji w radiofonii — sygnał m.cz.

Źródłem sygnałów informacyjnych w radiofonii

są audycje słowno-muzyczne. Sygnały te są

określane przez dwa parametry: zakres

częstotliwości sygnału fonicznego i jego dynamikę.

Całkowite, wierne odtworzenie mowy ludzkiej

wymaga przesyłania sygnałów o częstotliwości od

100 do 8000 Hz i o dynamice około 40 dB .

Odtworzenie muzyki wymaga zakresu

częstotliwości od 40 do 15000 Hz i dynamiki około

70 dB .

Na wierność i jakość odtwarzania mowy i muzyki

mają wpływ niedoskonałości urządzeń nadawczo-

odbiorczych (nadajniki, odbiorniki, urządzenia

zapisu i odczytu), wynikające z ograniczonego

pasma przenoszenia i dynamiki.

W radiofonii sygnały foniczne m.cz. są nadawane w

postaci odpowiadających im elektrycznych

sygnałów mikrofonowych o małej częstotliwości z

zakresu od 20 Hz do 20 kHz.

Można wyróżnić trzy sposoby przesyłania sygnałów

fonicznych (dźwięków):

• monofoniczny,

• stereofoniczny,

• kwadrofoniczny.

W systemie monofonicznym przesyła się tylko

jeden sygnał mikrofonowy m.cz. zawierający

informacje o zakresie częstotliwości i dynamice.

W systemach stereofonicznych i

kwadrofonicznych dodatkowo przesyła się

informacje o kierunku pochodzenia dźwięku. Aby

uzyskać tę informację, w systemie stereofonicznym

stosuje się przesyłanie dwóch niezależnych

sygnałów mikrofonowych, z dwóch mikrofonów

odpowiednio ustawionych do źródła dźwięku.

Pozwala to na uzyskanie dodatkowych specjalnych

wrażeń źwiękowych, np. wrażenie sali

koncertowej, w której oprócz orkiestry słyszy się

szum sali, dźwięki odbite od ścian, obecność

słuchaczy itp.

Opisane wyżej systemy nadawania sygnałów

fonicznych ilustruje w sposób uproszczony rys. 5.

Sygnały mikrofonowe m.cz. ze studia lub wozu

transmisyjnego przesyła się do nadajnika radiowego

drogą przewodową lub radiową linią transmisyjną.

Rys. 5. Rozstawianie mikrofonów w systemach: a) monofonicznym, b) stereofonicznym,

d)kwadrofonicznym

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: