Контрольная: Основы телевидения и радиовещания
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
УРАЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ
ФИЛИАЛ СибГУТИ
Контрольная работа№1
ПО ПРЕДМЕТУ: лОсновы радиосвязи и телевидения.
Выполнил:
Студент группы МХХ
Соловьёв ОлегПетрович
Шифр ЕХХХМ068
Екатеринбург 20__ г.
Задание 1.
Пояснить условия распространения радиоволн поверхностным лучем. Какие
радиоволны могут им распространяться.
Общие сведения.
На распространение радиоволн оказывают влияние следующие основные факторы:
длина волны, кривизна земли, характер почвы, состав атмосферы, время дня и
года, состояние ионосферы, магнитное поле земли, метеорологические условия.
Применительно к особенностям распространения весь диапазон волн разделяется
на отдельные поддиапазоны, в которых для них сохраняются одни и те же
основные законы распространения. Это деление приводится в следующей таблице.
Таблица1.1
| Тип волн. | Длина волны | Диапазон частот |
| Сверхдлннные волны | Свыше 10000 м | Ниже 30 кГц |
| Длинные | 10000Ч1 000 м | 30Ч300 кГц |
| Средние | 1 000Ч100 м | 300Ч3000 кГц |
| Короткие | 100Ч10 м | 3Ч30 Мгц |
| Ультракороткие волны: | 10мЧ1мм | 30МГцЧ300ГГц |
| а) | метровые | 10Ч1 м | 30Ч300 Мгц |
| б) | дециметровые | 100Ч10 см | 300-3000 Мгц |
| в) | сантиметровые | 10Ч1 см | 3-30ГГц |
| г) | миллиметровые | 10Ч1 мм | 30-300 ГГц |
| Инфракрасные волны | 1 ммЧ0,75 мк | 300 Ч4-106 ГГц |
| Световые волны | 0,75Ч0,1 мк | 4*106Ч3*108 ГГц |
Указанные в данной таблице границы поддиапазонов радиоволн условные, так как
резкой границы не существует и один поддиапазон волн плавно переходит в
другой.
Радиоволны называются земными или поверхностными волнами., если они
распространяются над поверхностью земли и огибают ее вследствие явления
дифракции.
Поглощение поверхностных волн землей
Поверхность земли поглощает энергию распространяющихся вдоль нее
поверхностных волн. Это объясняется тем, что земля обладает активным
сопротивлением. Радиоволны вызывают в земле токи, которые создают активные
потери. Чем короче волна, т. е. чем больше частота, тем больший ток
индуктируется в земле и тем больше потери. Потери в земле уменьшаются с
увеличением проводимости почвы, так как волны проникают в землю тем меньше,
чем выше проводимость почвы. В земле происходят и диэлектрические потери,
которые также увеличиваются с укорочением волны.
Явление дифракции
Дифракцией называется способность радиоволн огибать выпуклость земного шара,
неровности земли и другие препятствия. Чем больше длина волны по сравнению с
размерами препятствия, тем больше выражена дифракционная способность
радиоволн. Следовательно, длинные волны обладают большей дифракционной
способностью, чем короткие.
Особенности распространения поверхностных волн различных диапазонов.
Распространение длинных и средних волн.
Физическая сущность распространения длинных волн состоит в движении
электромагнитной энергии между двумя полупроводящими сферами Ч землей и
ионосферой. При этом силовые линии электрического поля волн опираются на
земную поверхность. Следовательно, поляризация излучаемых волн должна быть
вертикальной, так как при горизонтальной поляризации поле вблизи проводящей
поверхности земли равно нулю. Радиус действия поверхностного луча на длинных
и сверхдлинных волнах большой, так как эти волны мало поглощаются землей и
обладают дифракцией.
Сверхдлинные волны распространяются вокруг земли в сферическом волноводе,
образованном землей и ионосферой, с незначительным затуханием.
Дальность действия на длинных волнах определяется мощностью излучения и
зависит только от освещенности. Поверхностный луч средних волн заметно
поглощается землей, и радиус его действия не превышает 1000Ч1500 км. На
средних волнах наблюдаются замирания сигналов, обусловленные интерференцией
пространственной и поверхностной волн.
Средние волны используются для радиовещания и дальней радиосвязи, длинные
волны Ч для радиотелеграфии.
Недостаток этих диапазонов Ч малое количество каналов связи, позволяющих
одновременно работать без взаимных помех. Недостатком длинных волн являются
также большие габариты мощных радиопередатчиков и особенно радиопередающих
антенн.
Распространение поверхностных волн диапазонов КВ и УКВ.
В диапазонах КВ и УКВ преобладает передача энергии пространственным лучем,
Это объясняется тем, что земля обладает активным сопротивлением.
Поверхностные радиоволны, в отличие от пространственных, вызывают в земле
токи, которые создают активные потери. Чем больше частота, тем больший ток
индуктируется в земле и тем больше потери. Потери в земле уменьшаются с
увеличением проводимости почвы, так как волны проникают в землю тем меньше,
чем выше проводимость почвы. В земле происходят и диэлектрические потери,
которые также увеличиваются с увеличением частоты.
Задание 2.
Привести конструкцию антенн диапазона частот от 30 МГц до300 МГц, их основные
характеристики и параметры.
Параметры антенн.
К основным параметрам антенны, представляющим наибольший практический
интерес, относятся:
Диаграмма направленности,
Коэффициент усиления,
Действующая длина (высота)
Входное сопротивление.
Излучаемая мощность
Мощность потерь
Мощность в антенне
Коэффициент полезного действия
Коэффициент направленного действия
Излучаемая мощность. Излучаемая мощность Р
и - мощность
электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Излучаемая
мощность, оценивается через активное сопротивление, называемое сопротивлением
излучения.
R
и= Р
и/I
a2, где I
a-эффективный ток в нагрузке.
Сопротивлением излучения характеризует способность антенны к изручению
электромагнитной энергии.
Мощность потерь. Р
п- мощность, бесполезно теряемая
передатчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и
предметах, расположенных вблизи антенны. Эта мощность может быть выражена
через активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:
R
п= Р
п/I
a2
Мощность в антенне. Р
а- мощность, подводимая к антенне от
передатчика. Определяется как сумма
мощности потерь и излучаемой мощности
:
Р
а =Р
п+ Р
и
Диаграмма направленности. По ДН судят о способности излучать (принимать)
электромагнитные волны в(из) определенные направления. Значение ЭДС, наведенной
в антенне электромагнитным полем, зависит от направления прихода радиоволны,
что позволяет ослабить помехи, которые приходят с направлений, отличных от
направления прихода полезного сигнала. Направленными свойствами обладают в той
или иной мере все антенны, включая самые простые. Для оценки направленных
свойств приемных антенн производится измерение характеристик
направленности, представляющих собой зависимость ЭДС клеммах антенны от угла
прихода сигнала. Графическое изображение этой xapактеристики
называется диаграммой направленности.
Достаточно полное представление о направлены свойствах антенны дают
диаграммы, показывающие, как зависит ЭДС на клеммах антенны от
направления прихода сигнала в двух плоскостях Ч горизонтальной 1 и
вертикальной 2. Такие диаграммы называют диаграммами направленности в
горизонтальной вертикальной плоскостях.
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются
понятиями угла раствора
φ основного лепестка диаграммы
направленности и уровню задних и боковых лепестков Углом раствора основного
лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на
клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. (угол раствора по
лполовинной мощности). Иногда под углом раствора подразумевают другой
угол, а именно тот, в пределах которого основной лепесток
диаграммы направленности спадает до нуля (угол раствора по лнулям
основного лепестка).
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжению
определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны
максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного
лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной
величины, то указывается обычно уровень наибольшего лепестка. Уровень задних и
боковых лепестков можно определить также по мощности, возведя в квадрат уровень
задних и боковых лепестков по напряжению.
Чем направленнее антенна, т. е. чем меньше угол раствора основного лепестка и
меньше уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности, тем
больше ЭДС на клеммах антенны.
Коэффициент усиления.
Коэффициент усиления антенны по напряжению или лполю можно определить как
отношение напряжения, развиваемого антенн на согласованной нагрузке, к
напряжению, развиваемому на той же нагрузке согласованным с ней полуволновым
вибратором. Обе антенны считаются расположенными в той же точке
электромагнитного поля и ориентированными на максимум приема. Часто применяется
также понятие коэффициента усиления по мощности К
Р, который равен
квадрату коэффициента усиления по- напряжению (К
Р = К
U
2).
Значение коэффициента усиления антенны указывают в литературе либо по
отношению к полуволновому вибратору, либо по отношению к так называемому
изотропному излучателю. Изотропный излучатель представляет собой такую
воображаемую антенну, у которой полностью отсутствуют направленные свойства,
и пространственная диаграмма направленности имеет соответственно вид сферы.
Расчетное значение коэффициента усиления - полуволнового вибратора по
напряжению относительно изотропного излучателя составляет 1,28 (2.15 дБ).
В литературе направленные свойства антенн часто оценивают
коэффициентом
направленного действия КНД, который представляет собой выигрыш в мощности
сигнала в нагрузке при условии, что антенна не имеет потерь. Коэффициент
направленного действия связан с коэффициентом усиления по мощности К
р
соотношением: К
р=КНД* η
где η Ч
коэффициент полезного действия антенны (КПД).
Поскольку любая антенна имеет потери (в проводниках и изоляторах), то ее
КПД
всегда меньше единицы. На метровых и дециметровых волнах
КПД близок к
единице и реальный выигрыш в уровне сигнала, даваемый антенной, практически
равен теоретическому выигрышу, определяемому формой диаграммы направленности.
Коэффициент усиления по мощности относительно полуволнового вибратора
подсчитывается по формуле
Kp=25154/Ψφ,
где φ и Ψ Чуглы раствора диаграммы направленности в горизонтальной
и вертикальной плоскостях, град, по уровню 0,7 напряжения. Коэффициент
усиления, дБ,
K=10lgK
P.
Действующая длина.
Параметр, позволяющий определить ЭДС на зажимах простейших антенн Ч
полуволновых вибраторов и рамок:
е=Еh
д, где Е Ч напряженность поля.
Действующая длина линейного полуволнового вибратора равна λ/π
(λ длина волны, π = 3,14), петлевого полуволнового вибратора Ч
2l/λ.
Таким образом,
действующая длина полуволнового вибратора равна длине
такого воображаемого вибратора с равномерным распределением тока, который имеет
лплощадь тока, равновеликую лплощади тока полуволнового вибратора.
Действующая длина полуволнового вибратора, в пределах полосы частот одного
телевизионного канала от частоты зависит мало и в расчетах можно считать её
постоянной.
Входное сопротивление. Отдача мощности из антенны в нагрузку определяется
соотношением между входным сопротивлением антенны, которое может
рассматриваться как ее внутреннее сопротивление, и сопротивлением нагрузки. При
неизменных размерах антенны входное сопротивление зависит от частоты, а при
неизменной частоте Ч от размеров.
В общем случае входное сопротивление является комплексным, т. е. состоит из
активной и реактивной составляющих. Чисто активным сопротивление становится
только при определенных соотношениях между размерами антенны и частотой
(точки резонанса).
Антенны УКВ диапазона.
В УКВ диапазоне работает большое количество приёмопередающих устройств.
По ширине используемого спектра частот эти устройства можно разделить на
широкополосные (телевидение, многоканальная радиосвязь) и
узкополосные(радиосвязь, радиовещание)
Приемная телевизионная антенна является широкополосным устройством,
которое должно обеспечить неискаженный прием всего спектра частот
телевизионного канала. Одноканальные антенны работают в полосе
частот 8 МГц. Диапазонные антенны, предназначенные для приема нескольких
каналов, работают еще в более широкой полосе частот. Полное представление
о свойствах антенны можно получить только в том случае, если известны ее
параметры во, всей рабочей полосе частот, т. е. частотные характеристики.
Поэтому измерение параметров антенн производится, как правило, на
нескольких частотах Ч не менее чем на трех частотах при испытаниях
одноканальных антенн (на средней и крайних частотах рабочего канала)
и не менее чем на пяти-шести частотах равномерно распределенных в
рабочей полосе частот при испытаниях многоканальных и диапазонных
антенн.
Конструкции наружных антенн для ближнего приёма.
Зоной ближнего приема называют такую территорию, где уверенней прием
достигается с помощью простейших антенн со сравнительно небольшим
коэффициентом усиления. В связи с тем, что зона ближнего приема располагается
внутри зоны прямой видимости, напряженность поля сигнала в пределах этой
зоны- в значительной мере зависит от мощности телевизионного передатчика.
Наружные антенны, как правило, выполняют в виде жесткой конструкции из
металлической трубки
Простейшие антенны.
Простейшей телевизионной антенной является разрезной полуволновый вибратор.
Конструкция такой антенны показана на рис. 2.1.
Активная часть антенны - полуволновый вибратор - образована, двумя
металлическими трубками диаметром 15...20 мм. Плечи вибратора через
изоляционные втулки крепятся на горизонтальной перекладине, установленной на
вершине мачты. Перекладина обязательно должна быть изготовлена из .
изоляционного материала. Трубки вибратора выполняют металла(медь, алюминий).
Симметрирующее устройство, , выполняется в виде четвертьволнового
симметрирующего шлейфа из того же кабеля, из которого выполнен фидер.
Коэффициент усиления разрезного полуволнового вибратора равен 0 дБ, диаграмма
направленности имеет вид восьмерки в горизонтальной плоскости (т. е. вибратор
одинаково принимает сигнал и спереди, и сзади) и форму окружности в
вертикальной плоскости (т. е. вибратор одинаково принимает сигнал с любых
углов места).
Антенна более простой конструкции - петлевой вибратор, называемый также
вибратор Пистолькорса, показана на рис. 2.2. Оба плеча этого вибратора
выполнены в виде короткозамкнутых шлейфов с длиной каждого, приблизительно
равной 1/4 длины волны. Середина верхней неразрезанной части вибратора
является точкой нулевого потенциала, что позволяет в этой точке крепить
вибратор к металлической мачте без изоляции.
Петлевой вибратор выполняют из тех же материалов, что и разрезной. Радиус
закругления концов петлевого вибратора не имеет значения. Коэффициент
укорочения полуволнового петлевого вибратора значительно меньше зависит от
диаметра трубки, чем коэффициент укорочения разрезного вибратора. Поэтому
длина петлевого вибратора, выполненного из трубок диаметром 10...20 мм,
практически остается неизменной. Механическое соединение петлевого вибратора
с мачтой можно выполнять любым способом: сваркой, заклепочным или винтовым
соединением без изоляции.
Входное сопротивление петлевого вибратора составляет 292 Ома. К приемному
устройству эта антенна соединяется симметричным высокочастотным кабелем с
волновым сопротивлением 300 Ом (н-р: КАТВ) или при помощи симметрирующе-
согласующего устройства, 75-омным коаксиальныма кабелем. Симметрирующе-
согласующее устройство выполняется в виде полуволновой петли из 75-омного
коаксиального кабелем или устройства на ферритовом кольце. Симметрирующе-
согласующее устройство уменьшает входное сопротивление антенны в 4 раза.
Если разрезной вибратор узкополосный и может принимать сигналы только того
канала, на который рассчитана его длина, то петлевой вибратор имеет более
широкую полосу пропускания. Поэтому он может удовлетворительно принимать
сигналы по двум-трем каналам, соседним по частоте.
Антенны "ВОЛНОВОЙ КАНАЛ"
Антенны типа "Волновой канал" достаточно компактны и обеспечивают получение
большого коэффициента усиления при сравнительно небольших габаритах. Антенна
"Волновой канал" представляет собой набор элементов: активного - вибратора и
пассивных - рефлектора и нескольких директоров, установленных на одной общей
стреле.
Принцип действия антенны в следующем. Вибратор определенной длины,
находящийся в электромагнитном поле сигнала, резонирует на частоте сигнала, и
в нем наводится ЭДС. В каждом из пассивных элементов также наводится ЭДС, и
они переизлучают вторичные электромагнитные .поля. Эти вторичные поля, в свою
очередь, наводят дополнительные ЭДС в вибраторе. Размеры пассивных элементов
и их расстояния от вибратора выбраются такими, чтобы дополнительные ЭДС,
наведенные в вибраторе вторичными полями, были в фазе с основной ЭДС,
наведенной в нем первичным полем. Тогда все ЭДС будут складываться
арифметически, обеспечив увеличение эффективности антенны по сравнению с
одиночным вибратором. Для этого рефлектор делается немного длиннее вибратора,
а директоры - короче.
Симметричное расположение элементов антенны относительно направления на
передатчик создает условия для сложения наведенных ЭДС в вибраторе только для
сигнала, приходящего с главного направления. Сигналы, приходящие под углом к
главному направлению, создают в вибраторе ЭДС, сдвинутые по фазе относительно
основного, и поэтому , складываются алгебраически так, как складываются
векторы. Их векторная сумма получается меньше арифметической. Сигнал же,
приходящий с заднего направления, создает в вибраторе наведенные ЭДС,
противофазные основной, и они вычитаются. Таким образом, обеспечивается
направленное свойство антенны, формируется узкая диаграмма ее направленности,
что соответствует увеличению коэффициента усиления.
Многоэлементная антенна "Волновой канал", по принципу работы аналогичная
многоконтурному полосовому фильтру, нуждается в тщательной настройке
элементов..
Практика показывает, что антенна "Волновой канал" не нуждается в настройке и
обеспечивает получение паспортных характеристик, если она содержит не более
трех элементов: вибратор, рефлектор и только один директор. Коэффициент
усиления такой антенны составляет 6 дБ, что вполне достаточно для ее
использования в зоне ближнего приема. Коэффициент усиления пятиэлементной
антенны при условии ее точной настройки для указанных размеров составляет
примерно 8,6...8,9 дБ, что соответствует увеличению сигнала на выходе антенны
в 2,7...2,8 раз по. сравнению с одиночным полуволновым вибратором. Угол
раствора диаграммы направленности по половинной мощности составляет 50
