Режимы работы длинной линии

Краткое содержание:Если вся энергия от источника сигнала поглощается в нагрузке, то режим работы линии называется согласованным. При этом режиме Zв= Zн. При неравенстве сопротивлений часть энергии поглощается нагрузкой, а часть возвравщается к генератору, образуя отраженные волны. В результате интерференции падающей и отраженной волнв линии возникают смешанные волны.

Распространение колебаний в линиях передачи конечной длины, разомкнутых на конце (холостого хода). Для источника постоянного тока или токов низких частот линия конечной длины, pазомкнутая на конце, в установившемся режиме всегда представляет собой бесконечно большое сопротивление. Для источников высоких частот, для которых линия становится соизмеримой с длиной волны, ее сопротивление может иметь конечное или нулевое значение.

Сопротивление нагрузки в линии передачи с разомкнутыми
концами равно бесконечности (Rн=∞). При подключении такой
линии передачи к источнику питания в ней распространяется электромагнитная волна, которая называется падающей. Напряжение
на конце линии передачи, создаваемое падающей волной, прини
мает удвоенное значение. А заряды, приходящие к концу

Рис. 1. Распределение амплитуд тока и напряжения в разомкнутой линии передачи: Еп — источник переменного напряже­ния; λ— длина волны; I— ток; U — напряжение

Рис. 2. Распределение мгновен­ных значений напряжений в ра­зомкнутой линии передачи в раз­личные моменты времени: t₁...t₆ — моменты времени; l — длина линии передачи

Распространение колебаний в линиях передачи конечной длины, короткозамкнутых на конце.Распределение амплитуд напряжения и тока в линии передачи, короткозамкнутой на конце, показано на рис. 3.

Рис. 3. Распределение амплитуд напряжения и тока в линии переда­чи, короткозамкнутой на конце

При коротком замыкании на конце линии передачи сопротивление нагрузки R_H равно нулю. Вследствие короткого замыкания проводов на конце линии передачи между ними нет разности потенциалов, т.е. напряжение равно нулю (U = 0). Волна напряжения полностью отражается от замкнутого конца линии передачи с противоположным знаком, а волна тока отражается полностью, сохранив свой знак. При этом амплитуда тока удваивается.

Распространение колебаний в линиях передачи конечнойдлины, подключенных к активной нагрузке.В том случае, когда длинную линию используют для передачи высокочастотной энергии, нагрузку подбирают так, чтобы она полностью поглощала энергиюпадающей волны и сама не создавала в линии передачи отраженной волны. Для этого необходимо, чтобы нагрузка была чисто активной. Отраженная волна отсутствует, если сопротивление нагрузки R_н равно волновому сопротивлению линии Z_o, R_H = Z_o (Случай, когда отраженная волна отсутствует, называют режимом согласования с нагрузкой. При других значениях сопротивления нагрузки часть энергии падающей волны не будет поглощаться и в линии передачи возникнут отраженные волны. При активнойгрузке часть энергии всегда поглощается нагрузкой и в линии передачи, кроме стоячих волн, присутствуют бегущие волны, которые переносят эту энергию. Распределение напряжения или тока в линии со стоячими и бегущими волнами при­нято характеризовать коэффициентом бегущей волны (к). Он оп­ределяется отношением минимального напряжения к максималь­ному напряжению или отношением минимального тока к макси­мальному току: к= U_min/U_max= I _min/I_mах. Коэффициент бегущей вол­ны изменяется от нуля до единицы. На практике часто пользуются обратной величиной (1/к = U_mах/U_min), которую называют коэф­фициентом стоячей волны напряжения.

Коаксиальная линия (кабель) представляет собой провод, окруженный диэлектриком и внешней оплеткой. Диаметр оплетки кабеля Одолжен быть много меньше длины вол­ны, распространяющейся по кабелю (D«λ). Спомощью коаксиального кабеля связывают телевизионную антенну с входом телевизора. Необходимо добиваться согласования кабеля с входным сопротивлением телевизора и антенны для того, чтобы избежать двойногоизображения на экране телевизора, так как оно опреде­лится отраженной волной.

Контрольные вопросы:

1. Как распространяются колебания в длинных линиях передачи.

2. Как распространяются колебания в линиях передачи, разомкнутых на конце.

3. Как распространяются колебания в линиях передачи короткозакнутых на конце.

4. Как распространяются колебания в линиях передачи, подключенных к активной нагрузке.

Задание на СРС:1.Реферат «Волноводы и объемные резонаторы».

2. Сделать анализ зависимости входного сопротивления разомкнутой и короткозамкнутой линий от их длины и частоты генератора. [1, стр. 242-255]

Задание на СРСП:

1. Защита реферата.

2.Определить входное сопротивление разомкнутой линии длиной y= λ/8, если Zв =600Ом.

Глоссарий

Лекция 13

Антенны

Краткое содержание:Для излучения и приема электромагнитных колебаний, переносящих информацию. Используют специальные радиотехнические устройства – антенны. Устройство, преобразующее энергию источника переменной электродвижущей силы в знергию электромагнитных волн, называется передающей антенной.

В общем случае практически любой отрезок провода, по которому протекает переменный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Точно также и в любом отрезке проводника, находящемся в электромагнитном поле, наводится пе­ременная электродвижущая сила (ЭДС). Однако доля энергии элек­тромагнитного поля, возникающая в проводнике, существенным образом зависит от конфигурации, соотношения размеров про­водника и длины волны электромагнитных колебаний. С помощью передающей антенны энергия модулированных колебаний на вы­ходе радиопередатчика превращается в энергию электромагнит­ного поля — энергию электромагнитных волн, которые со скоро­стью света распространяются в разные стороны. С помощью прием­ной антенны энергия падающих на антенну электромагнитных волн преобразуется в энергию модулированных колебаний, поступаю­щих на вход радиоприемного устройства. Одну и ту же антенну можно использовать и в качестве передающей, и в качестве приемной. Мощность, излучаемая антенной, определяется из соотношения

Pизл ⁼ I² Rизл,

где I — действующее значение тока; Rизл — сопротивление излу­чения.

Антенна имеет потери, которые характеризуются сопротивле­нием потерь R_пот, поэтому общее входное сопротивление антенны на резонансной частоте

R_ВХ = R_ИЗЛ + R_ПОТ'.

Антенна характеризуется коэффициентом полезного действия ή, который определяется выражением

ή = R_ИЗЛ / R_ВХ .

Для оценки воздействия радиоволн на приемное устройство необходимо знать напряженность электрического поля Е, кото­рую имеют радиоволны в пункте приема. Напряженность электри­ческого поля прямо пропорциональна электрическому току в излучателе и обратно пропорциональна расстоянию от излучателя] до пункта приема. Для изотропного (одинакового во всех направлениях) излучателя напряженность электрического поля Е, В/м, определяется из соотношения

E≈5,5 √P_Σ /r

где P_Σ— мощность излучения, Вт; r— расстояние, м.

Для свободного пространства напряженность электрического поля в направлении максимального излучения реальной антенны определяется из соотношения

E≈5,5 √P_Σ D /r

где D — коэффициент направленного действия.

Для решения целого ряда задач необходима направленность излучения электромагнитных волн. Волны должны излучаться ан­тенной не во всех направлениях, а в каком-либо одном направле­нии. Направленные антенны обладают рядом преимуществ. Во-первых, излучаемая энергия используется рационально, так как она направляется узким пучком к потребителю. Благодаря этому можно при меньших мощностях перекрыть большие расстояния. Во-вторых, значительно уменьшается воздействие помех от дру­гих станций, а также атмосферных и промышленных помех.

На самых длинных волнах резко выраженную направленность получить практически невозможно, поэтому длинноволновые ан­тенны, как правило, не имеют направленного действия.

На ультракоротких волнах проблема направленности упроща­ется настолько, что антенны можно разместить на автомобиле, корабле, самолете.

Реальные антенны имеют направленное излучение. Оно харак­теризуется коэффициентом направленного действия, который по­казывает, во сколько раз поток мощности в направлении макси­мального излучения больше среднего потока мощности (на том же расстоянии). Мощность электромагнитного поля, проходяще­го через площадку в один квадратный метр, перпендикулярную направлению распространения излучения (радиолучу), называет­ся потоком мощности, или плотностью потока энергии. Поток мощ­ности пропорционален квадрату напряженности электрического ноля (или квадрату напряженности магнитного поля, распрост­раняющегося совместно с электрическим полем).

Способность антенны излучать или принимать электромагнит­ные волны в различных направлениях определяется диаграммой направленности D:

D = Е/Е_тях,

где Е — действующее значение напряженности электрического ночи; Е_тях— максимальная напряженность электрического поля.

Диаграмма направленности представляет собой графики, которые характеризуют в относительных единицах интенсивность излучения антенны по различным направлениям, лежащим в различных плоскостях.

Переменный электрический ток образует распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Если провода линии, подключенные к генератору переменной ЭДС, расположить параллельно и близко один к другому, то излучения энергии в окружающее пространство практически не происходит, так как поля двух одинаковых по значению, но противоположных по направлению токов взаимно компенсируются. Однако антенны предназначены для возможно большего излучения. Для этого можно использовать длинные линии передачи, если раздвинуть параллельно расположенные провода на некоторый угол, чтобы их поля не компенсировали друг друга. Компенсирующее действие одного из проводов можно уменьшить, укоротив его или полностью исключив из системы.

Конструкция антенны определяется прежде всего диапазоном волн, для работы в котором она предназначена. Поэтому они классифицируются на антенны: длинноволновые, средневолновые, коротковолновые, антенны ультракоротких волн, антенны оптического диапазона и т.д.

Широкий класс антенных структур представляют антенны поверхностных волн (антенны бегущей волны), образованных слоем магнитодиэлектрика на металле.

Большое распространение получили микрополосковые антенны – их излучатели, создаваемые на основе микрополосковой линии, могут принимать самую разнообразную форму, в том числе форму объекта на котором они расположены. Эти качества предопределили широкое внедрение таких антенн в аэрокосмическую технику.

Контрольные вопросы:

1. Какое устройство называется передающей антенной?

2. Какое устройство называется приемной антенной?

3. Перечислить и дать определение основным характеристикам антенн.

4. Что представлчет собой диаграмма направленности антенн.

5. Как классифийируются антенны.

Задание на СРС:Рефераты: Особенности распространения волн различных диапазонов, Борьба с замираниями, Влияние геофизических условий на распространение волн.

[2, стр. 297-307]

Задание на СРСП:

Защита рефератов.

Глоссарий

Лекция 14

Полуволновой вибратор

Краткое содержание:Если провода двухпроводной линии передач развернуть на 180˚, то получится симметричный вибратор. Простейшую излучающую или передающую антенну (симметричный вибратор) можно создать из отрезка электрического проводника размером в половину длины излучаемой волны λ/2, в середину которого включен генератор высокой частоты.

Антенна, полученная из отрезка проводника размером в половину длины излучения, называется полуволновым вибратором.Чтобы получить максимальный ток в проводах вибратора, следовательно и максимальное излучение, частоту тока в вибраторе устанавливают равной частоте собственных колебаний вибратора λ₀ , т.е. используют явление резонанса. Длина волны собственных колебаний симметричного вибратора λ₀ =2l, т.е. вдвое больше его длины. Поэтому симметричный вибратор называется также полуволновым диполем, что указывает на то, что он вдвое короче длины волны собственных колебаний.

Рис.1. Уменьшение излучения полуволнового вибратора в одну сторону.

Интенсивность излучения электромагнитных колебаний полу­волнового вибратора в различных направлениях оказывается не­одинаковой, что имеет существенное значение. Простейший вид диаграммы направленности создается элементарным диполем, у которого наибольшая интенсивность излучения имеет место в направлении, перпендикулярном проводнику. Вдоль проводника излучение отсутствует. Плоскость, перпендикулярная полуволно­вому вибратору и проведенная через его середину, называется эк­ваториальной плоскостью (горизонтальной плоскостью). Для вер­тикально расположенного вибратора диаграмма направленности полуволнового вибратора D в экваториальной плоскости представляет собой окружность,так как все направления в данном случае равноценны. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет вид круговых вытянутых восьмерок.

Рис. 2. Полуволновой вибратор: устройство; диаграмма направленности в экваториальной плоскости; диаграмма направленности вертикальной плоскости.

Для того чтобы уменьшить излучение в одну сторону, сзади активного полуволнового вибратора ставят пассивный полувол­новой отражатель-рефлектор (рис.1). Он действует как зеркало, отражающее (переизлучающее) электромагнитные волны с изменением фазы на 180°. В результате ослабляется поле за отражателем и усиливается поле перед активным вибратором.

Если антенна длиной полуволны параллельна Земле, она называется горизонтальным диполем.

Антенны коротких волн.Чем короче волна, тем больше разнообразие используемых типов антенн. Для коротких волн проводимость почвы ухудшается, вследствие этого возрастают потери в заземлении. Поэтому на этих волнах обычно избегают использова­ния заземленных вибраторов. Наиболее распространенным типом коротковолновых антенн является горизонтальный полуволновый вибратор (см. рис. 3).

Рис. 3. Горизонтальный диполь

Для получения максимальной дальности связи желательно иметь антенну, интенсивно излучающую под малыми углами (10...20°) к горизонту.

Четвертьволновый вибратор.В диапазоне километровых волн габариты даже одновибраторных антенн оказываются столь боль­шими, что возникают трудности с их реализацией. Например, при длине волны 3...5 км поднять излучатель практически невозмож­но. Так как Земля является хорошим проводником для этого диа­пазона волн, то в качестве антенны можно использовать не полуволновый, а несимметричный четвертьволновый заземленный вибратор λ/4. Такая антенна называется четвертьволновым вибра­тором. Он представляет собой вертикальную излучающую конст­рукцию, между основанием которой и Землей включен источник высокочастотных колебаний.

Рамочные антенны.Рамочные антенны (рис. 9.14) используют на волнах, длина которых намного больше их собственной волны. Рамку можно представить как расширенный конец короткозамкнутого фидера. Собственная волна рамки обычно в 4—6 раз длиннее общей протяженности входящих в нее проводов. Настройку ее

Рис. 4. Рамочные антенны:

квадратная рамка; б — круглая рамка; в — диаграмма направленности

проводят с помощью конденсаторов или катушек индуктивнос­ти, включаемых на входе. В плоскости, перпендикулярной рамке, антенна обладает диаграммой направленности, имеющей вид восьмерки (см. рис. 2). Вследствие малой длины сторон ра­мочной антенны сопротивление излучения Rизли действующая вы­сота такой антенны незначительны, поэтому рамочные антенны редко используются в передатчиках. Они находят широкое приме­нение в приемной технике.

Для увеличения действующей высоты рамочной антенны ее выполняют из нескольких витков провода. Форма контура при этом может быть как прямоугольной, так и круглой (см. рис. 4, а, б). Магнитное поле и действующую высоту рамки можно увели­чить, если намотать ее на сердечник из материала с высокой маг­нитной проницаемостью и малыми потерями для высоких частот. В качестве такого материала чаще всего используют феррит. Это позволяет создавать миниатюрные антенны с ферритовым сер­дечником, которые называются магнитными. Магнитная антенна представляет собой катушку, намотанную на изоляционном кар­касе, который надет на ферритовый сердечник круглого или пря­моугольного сечения. Магнитная антенна обладает направленными свойствами относительно принимаемой станции, и поэтому для получения наилучшего приема приходится поворачивать (ориентировать) соответствующим образом весь приемник.

В малогабаритных переносных транзисторных радиоприемниках широко применяются как магнитные, так и штыревые телескопические антенны.

Телескопическая антенна состоит из нескольких отрезков латунных трубок с различным внешним диаметром и толщиной cтенок примерно 0,5 мм. Длина трубок определяется размерами радиоприемника. ] |

Антенны для приема радиовещательных и телевизионных передач бывают наружными и комнатными.

Контрольные вопросы:

1. Как устроен полуволновой вибратор?

2. Как устроен четверьтволновой вибратор?

3. Укажите конструкции рамочных антенн и их назначение.

4. Как устроена магнитная антенна.

5. На каких волнах используют рамочные антенны.

Задание на СРС:Рефераты: Синфазные антенны. Ромбические антенны.

[2, стр. 229- 335]

Задание на СРСП:

Защита рефератов.

Глоссарий

Лекция 15

• ⇐ Назад
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8910
• Далее ⇒