Перечень принятых сокращений

Глава I Электромагнитные волны и их основные параметры.

1.1. Электромагнитная волна.

1.2. Параметры электромагнитной волны.

1.3. Поляризация электромагнитных волн.

Глава II Радиоволноводы и распространение ЭМВ в них. Параметры радиоволноводов.

2.1. Виды радиоволноводов и область их применения.

2.2. Типы электромагнитных волн в радиоволноводах.

2.3. Параметры радиоволноводов и режимы ЭМВ в них.

Глава III Элементы СВЧ трактов радиоаппаратуры.

3.1. Особенности построения техники СВЧ.

3.2. Типы электромагнитных волн в радиоволноводах.

3.3. Устройства распределения мощности СВЧ сигнала.

Глава IV Элементы радиотехнических устройств.

4.1. Генераторы электрических колебаний.

4.2. Преобразователи частоты.

4.2.1. Умножители частоты.

4.2.2. Смесители.

4.3. Малошумящие усилители.

4.3.1. Параметрические усилители.

4.3.2. Усилители на туннельном диоде.

4.3.3. Транзисторные МШУ.

Глава V Каналы и системы связи.

5.1. Общие понятия о каналах и системах связи.

5.2. Методы построения многоканальных систем.

5.2.1. Принцип построения аппаратуры с ЧРК.

5.2.2. Принцип построения аппаратуры с ВРК.

5.3. Основные параметры дискретных и аналоговых каналов.

Глава VI Элементы аппаратуры объединения и разделения цифровых потоков.

6.1. Логические элементы.

6.2. Триггеры.

6.3. Элементы аппаратуры объединения и разделения цифровых потоков.

Глава VII Методы формирования и разделения групповых цифровых сигналов.

7.1. Метод согласования скоростей передачи (метод “вставок”).

7.2. Метод “чистого окна”.

7.3. Метод наложения (метод “скользящего индекса с подтверждением”).

7.4. Метод стартстопного – синхронного перехода.

7.5. Формирование групповых импульсных потоков.

Глава VIII Модуляция электрических колебаний.

8.1. Виды модуляции.

8.2. Принципы построения.

8.2.1. Модуляторы.

8.2.2. Демодуляторы.

Глава IX Антенно-фидерные устройства.

9.1. Технические характеристики антенн.

9.2. Устройство и принцип действия параболических антенн.

9.3. Антенно-фидерные устройства.

9.4. Методы наведения антенн.

Литература.

Перечень принятых сокращений:

	ВТП	военно-техническая подготовка
	ЭМВ	электромагнитная волна
	СВЧ	сверх высокие частоты
	АФУ	антенно-фидерное устройство
	ЭМП	электромагнитное поле
	УВЧ	ультра высокие частоты
	ТЕМ	плоская поперечная волна
	КБВ	коэффициент бегущей волны
	КСВН	коэффициент стоячей волны по напряжению
	ОЛП	однопроводная линия передачи
	ЛБВ	лампа бегущей волны
	ЗС	замедляющая система
	ССС	станция спутниковой связи
	ФЦК	ферритовый циркулятор коаксиальный
	ФЦВ	ферритовый циркулятор волноводный
	ПРД	передатчик
	ПРМ	приемник
	НО	направленный ответвитель
	ПОС	положительная обратная связь
	ТКЧ	температурный коэффициент частоты
	ОГ	опорный генератор
	ФАПЧ	фазовая автоподстройка частоты
	СЧ	синтезатор частоты
	ДПКД	делитель с переменным коэффициентом деления
	ВБЧ	верхняя боковая частота
	НБЧ	нижняя боковая частота
	ВБПЧ	верхняя боковая полоса частот
	НБПЧ	нижняя боковая полоса частот
	СМ	смеситель
	ПФ	полосовой фильтр
	МШУ	малошумящий усилитель
	ПУ	параметрический усилитель
	УТД	усилитель на туннельном диоде
	КПУ	квантовый парамагнитный усилитель
	ЧРК	частотное разделение каналов
	ВРК	временное разделение каналов
	КРК	кодовое разделение каналов
	ЦСП	цифровая система передачи
	ИО	индивидуальное оборудование
	ГО	групповое оборудование
	ВСК	высокоскоростной канал
	НСК	низкоскоростной канал
	СОНП	схема объединения низкоскоростных потоков
	СОВП	схема объединения высокоскоростных потоков
	СРНП	схема разделения низкоскоростных потоков
	СРВП	схема разделения высокоскоростных потоков
	КТЧ	канал тональной частоты
	ОЗ	остаточное затухание
	ЧХОЗ	частотная характеристика остаточного затухания
	ЭППЧ	эффективно передаваемая полоса частот
	МККТТ	международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии
	МККР	международный консультативный комитет по радио

Глава I. Электромагнитные волны и их основные параметры.

1.1. Электромагнитная волна.

В радиосвязи информация (сигналы) передается от одной радиостанции к другой, с помощью электромагнитных волн.

В любой электромагнитной волне электрические и магнитные поля изменяются во времени и в пространстве. Изменение электрического поля в какой-либо точке пространства всегда сопровождается появлением изменяющегося магнитного поля и наоборот. Оба поля существуют одновременно и совместно, образуя единое электромагнитное поле. Следовательно, ЭМП - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.

ЭМВ - это ЭМП, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.

Все электромагнитные явления можно описать с помощью уравнений Максвелла, которые устанавливают связь величин характеризующих электрические и магнитные поля, а так же из теории Максвелла вытекает, что ЭМВ имеет конечную скорость распространения.

Простейшим типом ЭМВ является плоская поперечная волна, которую принято обозначать ТЕМ (Т - начальная буква английского слова transverse, что означает "поперечный" Е и М начальные буквы слов electric и magnetic, т.е. "электрический" и "магнитный"). В поперечной ЭМВ силовые линии электрического и магнитного полей расположены в поперечных плоскостях перпендикулярных распространению волны.

В любой ЭМВ электрические и магнитные поля изменяются во времени и в пространстве по синусоидальному закону.

Т.к. электрическое и магнитное поле существуют одновременно и совместно, следовательно, изменение электрического и магнитного полей в распространяющейся ЭМВ совпадают по фазе, т.е. нарастание одного поля соответствует нарастанию другого и максимума амплитуд они достигнут одновременно.

Магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми линиями, а электрические силовые линии либо идут от заряда одного знака к заряду другого знака (направление от положительного заряда к отрицательному), либо как магнитные силовые линии могут быть замкнутыми.

Движущееся ЭМП есть ЭМВ. Сила F, с которой поле действует на неподвижные электрические заряды, характеризуется напряженностью электрического поля E:

E=Fq,

где q -величина заряда, следовательно, напряженность электрического поля E - равна отношению силы действующей на точечный заряд в данной точке пространства к величине заряда:

Напряженность магнитного поля H определяется максимальной величиной вращающего момента, действующего на рамку с током, помещенную в магнитное поле, к магнитному моменту тока в рамке. Напряженность поля является векторной величиной, т.е. имеет не только численные значения, но и определенное направление.

Относительное расположение в пространстве векторов H, E и скорости движения ЭМВ V определяется по правилу буравчика (рис.1 б, в).

рис.1

Данный тип волны - плоско-поперечная ЭМВ (ТЕМ).

1.2. Параметры электромагнитной волны.

Ввиду того, что ЭМВ изменяется по синусоидальному закону, следовательно, она описывается формулой гармонического колебания:

Основными параметрами ЭМВ являются:

• амплитуда колебания (A);
• частота колебания (w);
• фаза колебания (j);
• длина волны (l);
• скорость распространения (V);
• фазовая скорость (Vф);
• групповая скорость (Vгр);

1. частота колебания в секунду

w - угловая скорость (рад/с)

f - циклическая частота (Гц).

w и f соотносятся между собой периодом колебания T (наименьший промежуток времени, через который колебание возвращается к исходному состоянию) как:

2. Фаза колебания j - состояние колебательного процесса в определенный момент времени.

3. Длина волны l - расстояние между ближайшими точками гармонического колебания, находящимися в одной фазе.

Для вакуума:

где с» 3*10^8 м/с - скорость света.

4. Скорость распространения V для плоской поперечной волны в свободном пространстве (вакуум) равна скорости света

V = с;

В случае если среда распространения не является вакуумом:

где e - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

m - относительная магнитная проницаемость среды.

Для волн, распространяющихся в различных средах, различают фазовую и групповую скорость.

5. Фазовая скорость Vф - это скорость, с которой перемещается в пространстве фаза плоской поперечной волны одной частоты.

6. Групповая скорость Vгр - скорость переноса энергии не гармонической волной, образованной группой гармонических волн. Между Vф и Vгр имеется связь:

1.3. Поляризация электромагнитных волн.

Для ЭМВ, распространяющихся в какой-либо среде, существует понятие поляризации. Поляризация ЭМВ - это упорядоченность в ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей в плоскости перпендикулярной вектору скорости распространения ЭМВ. Различают эллиптическую, круговую и линейную поляризации. Характер поляризации определяется конструкцией и ориентацией передающей антенны. В случае линейной поляризации вектор Е, периодически изменяясь, в процессе распространения остается перпендикулярным самому себе. Антенна в виде вертикального вибратора излучает вертикальную линейно-поляризованную волну. Для приема без потерь вибратор приемной антенны должен быть ориентирован также вертикально (рис.2).

рис. 2

Для создания горизонтальной линейно-поляризованной волны передающие вибраторы антенны должны располагаться горизонтально. Однако для спутниковой связи радиоволны в процессе распространения пронизывают ионосферу, находящуюся в магнитном поле Земли. В результате происходит вращение плоскости поляризации линейно-поляризованной волны (эффект Фарадея).

Ионосфера оказывается средой с двойным лучепреломлением, и радиоволна, распространяющаяся через нее, расщепляется на две составляющие. Эти составляющие распространяются в ионосфере с различными фазовыми скоростями. Поэтому при прохождении некоторого расстояния между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации. В результате рассогласования поляризации волны, пришедшей в точку приема, и поляризации приемной антенны происходит потеря энергии - возникают поляризационные замирания. Для предотвращения замираний необходимо использовать антенны с круговой поляризацией, при которой вектор Е вращается с частотой радиоволны, описывая при распространении винтовую линию. При этом величина вектора Е останется постоянной. На пути равном длине волны вектор Е поворачивается на 360 градусов.

Для создания антенны с круговой поляризацией необходимо иметь два передающих вибратора, смещенных в пространстве на 90 градусов один относительно другого. Они должны питаться токами равной амплитуды со сдвигом фазы на 90 градусов.

рис. 3

Радиоволны с круговой поляризацией излучают, например, турникетная антенна. Прием волн с круговой поляризацией возможен как на однотипные (турникетная, спиральная) антенны, так и на обычные вибраторы (рис. 3).

В зависимости от направления вращения вектора Е круговая поляризация может быть:

· левовинтовая;

· правовинтовая.

Если передача и прием ведется на одну антенну, то на прием используется одно направление вращения, а на передачу - другое. На частотах от 100МГц до 1 ГГц ионосфера оказывает влияние и на волны с круговой поляризацией. Это проявляется в появлении паразитных компонентов с противоположным направлением вращения, приводящих к потере мощности в точке приема.

На частотах свыше 1000 МГц (1 ГГц) подобный эффект отсутствует. В связи с этим оптимальный вариант построение радиолиний спутниковой связи - когда на борту ИСЗ и на Земле применяются антенны с круговой поляризацией, и частота радиоволн свыше 1ГГц.

ГЛАВА II Радио волноводы и распространение ЭМВ в них. Параметры радио волноводов.

2.1. Виды радиоволноводов и области их применения.

В технике связи, работающей в диапазоне СВЧ, широко используются радиоволноводы.

К широкому классу радиоволноводов относятся самые различные устройства, вдоль которых могут распространяться ЭМВ.

К ним относятся:

• открытые двухпроводные линии (рис. 4 а)
• коаксиальные кабели (рис. 4 б)
• волноводы в виде полых металлических труб различного сечения (прямоугольные, эллиптические, круглые, П-образные, Н- образные и т.д.) (рис. 4 в,г,д,е,ж)
• замедляющие системы (спиральные в экране (рис. 4 з) и типа гребенки (рис. 4 и))
• диэлектрические (рис. 4 к) (стержни из диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью)
• полосковые линии (ленточные) симметричные (рис. 4 л) и несимметричные (рис. 4 м)

Применение коаксиальных и открытых двухпроводных линий в диапазоне СВЧ имеет ряд ограничений. Дело в том, что с укорочением длины волны расстояние между проводниками приходится уменьшать с целью снижения потерь энергии на излучение.

рис. 4

При этом увеличивается опасность электрического пробоя при передаче по линии больших мощностей, а допуски на точность изготовления становятся все более жесткими. Поэтому ее обычно используют на волнах длиннее 2-5 метров.

Коаксиальный кабель является экранированной линией, применяется как в УВЧ, так и в СВЧ диапазонах. Однако, здесь с повышением частоты увеличиваются потери в металлических проводниках (особенно во внутреннем) и в диэлектрике, который необходим для крепления внутренней жилы кабеля. Кроме того, при укорочении длины волны приходится уменьшать расстояние между внутренним и наружным проводниками кабеля, что приводит к ограничению уровня передаваемой мощности. Поэтому на волнах короче 8-10 см коаксиальные кабели применяются реже, чем волноводы.

При малой передаваемой мощности (милливатты - микроватты) и небольшой длине (около 1м) коаксиальные кабели находят применение на волнах около 3 см.

Волноводы обладают рядом преимуществ по сравнению с коаксиальными и двухпроводными линиями. Для них характерны простота формы и жесткость конструкции. Все ЭМП заключено внутри волновода, поэтому нет потерь энергии на излучение. Внутри волноводов в большинстве случаев имеется либо воздух, либо вакуум. Т.о., в волноводах при воздушном их заполнении или при откачке до высокого вакуума потери в диэлектрике пренебрежимо малы. А так как внутри волноводов нет диэлектрика и центрального проводника, то пробивная прочность их больше чем у коаксиальной линии. Наконец потери в стенках волновода так же меньше, чем коаксиального кабеля. Интересно отметить, что в диапазоне 5-12 см затухание волны в волноводе составляет примерно 0.01 дБ на 1 м длины, что приблизительно соответствует 1/2000 % мощности, в тоже время в коаксиальном кабеле затухание равно примерно 1 дБ/м в этом же диапазоне волн, что приблизительно соответствует уменьшению энергии на 26%.

Несмотря на отмеченные преимущества волноводов, с укорочением длины волны начинают появляться и их недостатки.

Вследствие уменьшения размеров поперечного сечения понижается пробивная прочность. Кроме того, происходит увеличение потерь в стенках волновода. Наряду с этим существенным недостатком волноводов является зависимость скорости распространения волны от частоты (дисперсия), что приводит к искажению сигнала и ограничению полосы пропускания. Так, в ряде случаев полосы частот, занимаемые сигналами, оказываются шире полосы частот, рекомендуемой для конкретного типа волновода с заданными параметрами поперечного сечения. Для полного перекрытия по частоте в сантиметровом и миллиметровом диапазонах приходится изготавливать несколько волноводов стандартных поперечных сечений, снабжая каждый из них комплектом измерительной аппаратуры.

В настоящее время так же широко применяются полосковые и ленточные линии. Они состоят из металлических лент, пространство между которыми может быть заполнено твердым диэлектриком или воздухом. Излучение из них не велико. Эти линии более широкополосные, чем волноводы, имеют меньшие габариты и просты в изготовлении.

2.2. Типы электромагнитных волн в радиоволноводах.

При распространении в различных типах волноводов ЭМВ имеет различную структуру.

В коаксиальной линии передачи распространяется плоская поперечная ЭМВ типа ТЕМ. ЭМП ТЕМ - волны заключено в пространстве между внутренним и наружным металлическими проводниками.

При передаче по коаксиальной линии ВЧ энергии по проводникам её текут быстропеременные электрические токи, которые благодаря поверхностному эффекту сосредоточены в очень тонком слое металла, составляющем единицы микрометров, причем этот слой тем тоньше, чем выше частота сигнала. Таким образом, в коаксиальной линии ВЧ токи текут по наружному слою центрального проводника и по внутреннему слою оболочки. Коаксиальная линия является полностью экранированной линией передачи ЭМВ.

Структуру ЭМП различных типов волн принято показывать в виде соответствующего расположения силовых линий электрического (сплошные линии) и магнитные (пунктирные линии) полей для фиксированного момента времени (рис. 5).

рис. 5

Чем гуще расположены силовые линии, тем больше напряженность поля вблизи данной точки пространства.

Типы волн, которые могут распространяться в волноводах, можно разделить на два больших класса:

• H-волны;
• E-волны.

У H-волны вектор напряженности магнитного поля H имеет не только поперечную составляющую, но и продольную Hz, а вектор электрического поля расположен в плоскости поперечного сечения волновода, т.е. имеет только поперечную составляющую.

У Е-волны вектор Е - имеет продольную составляющую, а вектор Н полностью расположен в плоскости поперечного сечения волновода.

Поэтому Н-волны еще называют поперечно-электрические и обозначают ТЕ-волны, Е-волны - поперечно-магнитные волны - ТМ-волны.

Для обозначения каждого конкретного типа волны применяют два цифровых индекса, которые ставятся у буквы, обозначающий класс волны.

Для волн в прямоугольном волноводе первая цифра характеризует изменение ЭМП вдоль широкой стенки волновода. Вторая цифра характеризует изменение поля вдоль узкой стенки волновода. Например, Н10. В такой волне вдоль широкой стенки волновода расположена одна ячейка поля, т. е. поле в поперечном сечении имеет один максимум (рис. 6).

рис. 6

В направлении, параллельном узкой стенке, т.е. вдоль узкой стенки поле не меняется.

Другие типы волн называются высшими (Н20; Н11; Е11 и т. д.)

В волноводе круглого сечения так же могут распространяться волны различных типов, которые обозначаются с помощью различных символов n и i.

(Eni; Нni), где n - число изменения полей вдоль окружности, а i - число максимумов поля по длине радиуса волновода. Основным типом волн в круглом волноводе является волна Н01 (рис. 7).

рис 7.

В такой волне электрические силовые линии - концентрические окружности, расположены в плоскости поперечного сечения волновода. Магнитные силовые линии в виде овалов вытянуты вдоль волновода и расположены в плоскостях, проходящих через продольную ось волновода. Отличительной особенностью этой волны является наличие только кольцевых высокочастотных токов в стенках волноводов. Это приводит к тому, что при увеличении частоты сигнала потери энергии этой волны уменьшаются, тогда как для всех типов волн потери растут.

Как ранее отмечалось, что в настоящее время в технике СВЧ все большее распространение находят полосковые линии (симметричные, несимметричные)

В несимметричных линиях ленточный проводник находится над заземленной пластиной (рис. 8а), а в симметричной - между параллельными заземленными пластинами (рис. 8б)

Рис. 8

В полосковых линиях может распространяться только один тип волны - поперечная магнитная ТМ11 (E11). Однако структура ЭМП этой волны похожа на структуру поля ЭМВ типа ТЕМ. Поэтому, с высокой степенью точности, можно рассматривать основную волну в полосковых радиоволноводах как волну типа ТЕМ.

Т. о. знание типов волн, структуры их полей, распределения токов в радиоволноводах необходимо для их конструирования и применения.

2.3. Параметры радиоволноводов и режимы ЭМВ в них.

Сравнительная характеристика различных типов волноводов осуществляется с помощью совокупности параметров. Электрические параметры волноводов распределяют на первичные и вторичные.

Первичные параметры определяются:

• конструкцией;
• размерами;
• применяемыми материалами.

К первичным параметрам относятся:

• погонная емкость С0 (Ф/м);
• прогонная индуктивность L0 (Гн/м);
• прогонная проводимость изоляции G0 (Сим/м);
• прогонное сопротивление R0 (Ом/м).

Все эти параметры относятся к одному метру длины радиоволновода.

Вторичные параметры характеризуют передачу электромагнитных волн и выражаются через первичные параметры. К вторичным параметрам относятся:

• волновое сопротивление r;
• коэффициент затухания b;
• коэффициент полезного действия КПД;
• критическая длина волны l кр;
• геометрические размеры.

Величина потерь энергии характеризуется коэффициентом затухания b, измеряемом в логарифмических единицах на метр длины волновода.

Зависимость от частоты для различных типов волноводов определяется графиком:

Распределение потерь для 1,2 - с увеличением частоты можно объяснить влиянием поверхностного эффекта. Толщина поверхностного слоя, в котором текут СВЧ токи, с увеличением частоты уменьшается, а следовательно, растет сопротивление, оказываемое этим слоем протеканию тока, что влечет за собой рост потерь на нагрев.

При уменьшении частоты для 2,3 и приближение ее к критической, потери растут за счет увеличения числа отраженных плоских волн от стенок волновода, при этом часть энергии теряется.

Снижение потерь с ростом частоты, для волн Н01 в круглом волноводе, можно связать с наличием только кольцевых токов в стенках волновода.

Эти токи создаются продольной составляющей магнитного поля, величина которой с повышением частоты уменьшается по сравнению с поперечной составляющей. При этом волна Н01 как бы отрывается от стенок волновода и приближается по своим свойствам к поперечной.

Эффективность передачи мощности сигнала СВЧ в волноводе от его входа к его выходу принято характеризовать коэффициентом полезного действия:

Данная формула справедлива, если считать, что выход генератора согласован с входом волновода и выход волновода согласован с входом нагрузки, т. е. в волноводе (фидере) нет отражений за счет рассогласования.

К важным параметрам волновода необходимо отнести геометрические размеры. Правильным выбором размеров обеспечивается работа волновода в нужном диапазоне частот только на одном - основном типе волн. Работа одним типом волн оптимальна вследствие того, что невозможно избежать отражения от нагрузки одновременно для нескольких типов волн.

Для волновода прямоугольного сечения обычно размер широкой стенки волновода выбирают 0.7 l.

рис. 9

Размер узкой стенки выбирают (0.4-0.5)а (рис.9).

В настоящее время для различных диапазонов волн выпускаются стандартные волноводы.

Для волноводов круглого сечения радиус берется равным:

где lср. - средняя длина рабочей волны.

К волноводам применимо понятие критической длины волны lкр.

Критической длиной волны называется также максимальная длина волны электромагнитных колебаний, измеренная в свободном пространстве, а не в волноводе, при которой прекращается распространение волны данного типа в волноводе.

Существует общая зависимость между длиной волны в волноводе, длиной волны в свободном пространстве и критической длиной волны, справедливая для волноводов с любой формой поперечного сечения:

При приближении рабочей длины волны к критической, как нетрудно заметить из этой формулы, длина волны в волноводе все более резко возрастает. С другой стороны, длина распространяющейся по волноводу волны в всегда больше длины в свободном пространстве. Если же l /lкр >1, то данный тип волны распространяться не может, и для этого типа волны говорят, что волновод является "запредельным".

Размеры полосковых линий выбираются так же в основном из условий невозможности распространения в них высших типов волн.

Размеры коаксиальных линий выбираются из таких же соображений и в зависимости от волнового сопротивления.

Соотношение между диаметром внешнего(D) проводника и внутреннего проводника (d) обычно бывает:

при r =50 Ом D/d» 2.3,

при r =75 Ом D/d» 3.5.

Важнейшим вторичным параметром является волновое сопротивление rл. Физический смысл волнового сопротивления заключается в том, что линию нагруженную на сопротивление нагрузки Rн можно считать бесконечно длинной при Rн = rл, при этом волна в ней распространяется в одном направлении не отражаясь от нагрузки.

Волновое сопротивление определяется первичными параметрами, например, для коаксиальной линии оно равно:

Не правильно!

Если Rн на конце линии отличается от rл, то в линии возникает отраженная волна распространяющаяся от нагрузки к генератору (рис.10).

рис. 10

Волну, распространяющуюся от генератора к нагрузке, принято называть падающей.

Соотношение падающей и отраженной волны выражается через коэффициент отражения:

где:

Pотр - мощность отраженной волны;

Pпад - мощность падающей волны.

В зависимости от соотношения rл и Rн различают три основных режима работы волновода:

1. Режим бегущей волны, где Rн =rл;

2. Промежуточный режим, где Rн<>rл;

3. Режим стоячей волны, где Rн=0 или Rн ® бесконечность.

Дата добавления: 2014-01-06