CC BY
35
УДК 621.396.676.095:629.562
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ ПРИ МОРСКОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РАДИОСВЯЗИ РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ
Анд. И. Кулинич
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: [email protected]
Показано, что судовые антенны с вертикальной поляризацией сигналов из-за изменения направления вектора поляризации в ионосфере и магнитном поле Земли обладают поляризационными потерями мощности сигнала. Антенны с круговой поляризацией этих потерь не имеют.
Ключевые слова: антенна, поляризация, напряженность поля, диаграмма направленности.
Polarization power losses during marine high-frequency radio communication of fishing vessels.
And. I. Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
We ascertained the shipboard antennas with vertical signals polarization had polarized losses of signal power due to the direction change of polarization vector in the ionosphere and the Earth's magnetic field. Circularly polarized antennas don’t have these kinds of losses.
Key words: antenna, polarization, electric field strength, pattern.
В высокочастотном (ВЧ) диапазоне уровень принимаемого сигнала не постоянен из-за явления замирания. Отрицательно влияет на качество приема также высокий уровень атмосферных, индустриальных и контактных помех. При таких условиях важно, чтобы при заданной выходной мощности передатчика напряженность поля сигнала в месте приема была максимальна во всем диапазоне рабочих частот.
Приемопередающая антенна является важнейшей составной частью при ведении радиосвязи, так как от вида антенны зависит величина излучаемой мощности, которая пропорциональна сопротивлению излучения антенны.
Большое разнообразие типов судовых антенн объясняется стремлением получить при ограниченных размерах антенн приемлемую величину сопротивления излучения во всем диапазоне рабочих частот. Антенны, отвечающие этим требованиям, получили название широкополосные антенны [1].
Следует отметить, однако, что все типы применяемых в настоящее время судовых антенн для ВЧ радиосвязи работают с вертикальной поляризацией сигналов.
Известно, что вся спутниковая радиосвязь использует круговую поляризацию, чтобы исключить поляризационные потери мощности при прохождении сигналов через ионосферу. ВЧ радиосвязь работает на пространственных волнах, трасса распространения радиоволн всегда проходит через ионосферу. Поэтому круговая поляризация сигналов при ВЧ радиосвязи приведет к улучшению энергетических характеристик канала связи: напряженность поля сигнала в месте приема возрастет.
Направление токоведущих судовых антенн ориентировано перпендикулярно к поверхности Земли. Так как направление электрического вектора Е электромагнитной волны совпадает с направлением тока, то все типы современных передающих и приемных судовых антенн работают с вертикальной поляризацией сигналов. На рис. 1 приведены основные типы судовых антенн в диапазоне средних частот (СЧ) и в диапазоне высоких частот (ВЧ).
Рис. 1. Основные типы судовых антенн в диапазоне средних частот и в диапазоне высоких частот:
1 - фал; 2 - блок; 3 - изоляторная цепочка; 4 - горизонтальная часть; 5 - вертикальная часть (снижение);
6 - изолятор ввода; 7 - колонка; 8 - штырь; 9 - ствол из стеклопластика; 10 - токоведущая часть
Для радиосвязи в диапазоне СЧ применяются Г- и Т-образные антенны, антенны-мачты (рис. 1, а, б, з). В диапазоне ВЧ применяются антенны в виде наклонных лучей из одного или нескольких проводов, штыревые антенны (рис. 1, в, г).
Ниже приводятся основные характеристики антенн и приближенные соотношения для определения этих характеристик:
- действующая высота (м). Действующая высота представляет собой отношение площади, заключенной под кривой тока к току у основания антенны;
- длина вертикальной части антенны I (м);
- сопротивление излучения (Ом). Сопротивление излучения определяет излучаемую мощность через амплитуду тока 10 (А) у основания антенны;
- амплитудное значение тока в основании антенны 10 (А);
12
- излучаемая мощность Р^ (Вт). РЕ =-°-Я;
- коэффициент направленного действия О. Он определяет число, показывающее, во сколько раз должна быть увеличена мощность на выходе изотропной антенны, чтобы создаваемое ею поле было равно полю, создаваемому судовой антенной в направлении максимального излучения. Для судовых антенн О ~ 1,64;
- коэффициент полезного действия антенны п- Коэффициент п определяется отношением мощности излучения Р^ к мощности, подводимой к антенне:
Pv
ц =
(1)
где Рпот - мощность потерь, которая включает в себя потери на нагрев проводов антенны, мощность потерь в изоляторах антенны, в заземлении, в реактивном входном сопротивлении антенны;
- входное сопротивление антенны 2вх (Ом). Входное сопротивление 2вх имеет активную ЯА и реактивную ХА составляющие. Если ЯА >> Япот , то активная составляющая входного сопро-
д
г
з
тивления ЯА численно равна сопротивлению излучения Я^ . Реактивная составляющая на разных частотах имеет емкостной или индуктивный характер;
- диаграмма направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости;
- широкополосность антенны.
В зависимости от длины вертикальной части антенны і действующая высота антенны определяется выражением:
2 ті
К = , (2)
т
2
где т = ■
2л
Г
При I << X действующая высота антенны равна половине длины антенны. Если присоединить провода к верху штыря, то действующая высота удваивается, а сопротивление излучения учетверяется.
Сопротивление излучения антенны зависит от действующей высоты Нд и имеет вид:
( К Л
(3)
Из вышеприведенных выражений следует, что характеристики антенны улучшаются с уменьшением длины волны X. С увеличением частоты линейно возрастает действующая высота антенны Нд и в квадрат раз - сопротивление излучения Я
Напряжение сигнала на входе приемника при известной напряженности поля Е в месте приема определяется формулой:
ис = Е• К .
(4)
График зависимости активной ЯА и реактивной ХА составляющих входного сопротивления
I
антенны при изменении отношения — для разных волновых сопротивлений антенны р приве-
X
ден на рис. 2.
й4/р
3.0
2.0 1,0
0
ЧТ і э =
, I
/
‘ і 40 0
/
ж і _
0,2
0,8
і/Х
Х/р
1,0
о
-1,0
-2,0
р = 800 Ом
600
400
0,2 0,4 0,6 ^0,8 і/Х '
// [
1
г ! __ _и
0.4 0.6
а б
Рис. 2. Зависимости активной ЯА и реактивной ХА составляющих входного сопротивления антенны
при изменении отношения I для разных волновых сопротивлений антенны р
X
В составе судовых радиостанций имеются выносные устройства для автоматического согласования волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением антенны на всех рабочих частотах [2]. В результате настройки реактивная часть входного сопротивления антенны (индуктивная или емкостная) полностью компенсируется.
Диаграмма направленности полуволновой антенны в вертикальной плоскости при любом азимуте имеет вид:
/ %
/ (6) =
СОЯ —0080
12
ЯІП2 0
(5)
где 0 - угол места.
Характеристика направленности антенны в трехмерном изображении приведена на рис. 3. Важно отметить, что при 0 = 0 значение диаграммы направленности в вертикальной плоскости максимально и, напротив, равно нулю при 0 = 90°. Такая диаграмма обеспечивает наилучшее
2
усиление для поверхностных волн, распространяющихся вдоль поверхности Земли. При I = X диаграмма направленности меняется и приобретает вид, приведенный на рис. 4.
90
180
150
I = X
Рис. 4. Диаграмма направленности при I = X
Рис. 3. Диаграмма направленности антенны в трехмерном изображении
Такая диаграмма направленности антенны предпочтительна для пространственных волн. Условие I = X может быть выполнено для антенн, расположенных на берегу [3].
Широкополосность судовой антенны зависит от длины вертикальной части I. Длина широкополосной антенны должна быть 10...12 м.
На рис. 5 показан общий вид широкополосной многовибраторной антенны.
Длина центрального вибратора равна 0,25 X тах , боковые вибраторы меньшей длины расположены вокруг центрального вибратора равномерно по кругу с радиусом г > 0,03 X тт .
Сигналы с линейной вертикальной поляризацией сигналов с выхода ВЧ передатчика, проходя через слои ионосферы с магнитным полем Земли, поступают с круговой поляризацией на вход антенны приемника, так как электрический вектор сигнала Е в ионосфере многократно вращается из-за эффекта Фарадея [4]. Все судовые антенны работают с вертикальной поляризацией. Из-за рассогласования видов поляризации происходит поляризационные потери принимаемой мощности сигнала. Величину поляризационных потерь мощности можно рассчитать с помощью выражения
Рп
: П
Е,
многовибраторная антенна: 1 - опорный изолятор;
2 - боковые вибраторы;
3 - изоляционные держатели; 4 - центральный проводник; 5 - зонт
где ц =
+
пер.верт
Е,
пр.верт
л/Е
+ Е
пер.верт пер.гор
[ЕГ
У1Епр.
+
+ Е
верт пр.гор
(6)
Е,
пер.гор
Е
пр.гор
і
Е 2 + Е 2
пер.верт пер.гор
і
Е 2 + Е 2
пр.верт пр.гор
Здесь п - поляризационные потери напряженности поля Е; Епер.верт, Епер.ГОр - вертикальная и горизонтальная составляющие напряженности
вертикальная и горизонтальная составляющие
Е
^пр.верт? -^пр.гор
поля сигнала с выхода передатчика; Е, напряженности поля сигнала на входе приемника.
Ионосферу, преобразующую поляризацию сигнала, можно рассматривать как передатчик сигнала. Так как сигнал, прошедший через ионосферу, имеет круговую поляризацию, то
Епер.верт Епер.гор.
Приемная антенна имеет вертикальную поляризацию, поэтому Епргор С учетом только первого слагаемого в выражении для п получим:
0
4-Ti■ (7)
Для судовых антенн с вертикальной поляризацией сигналов поляризационные потери мощ-
н0сти Рпол.пот “ ■
Если судовые антенны ВЧ радиостанций будут излучать и принимать сигналы с круговой поляризацией, то поляризационные потери мощности сигнала будут отсутствовать.
При круговой поляризации справедливо:
Едер.верт Епер.гор; Епр.верт Епр.гор ■ (8)
С учетом этих соотношений получим:
1 1 1 1 /т
л V2V2 + V2 Л ■ ()
Поляризационные потери мощности при применении судовых антенн с круговой поляризацией сигналов отсутствуют, так как п 2 = 1.
Подводя итог, следует отметить, что эффективным средством борьбы с изменением вида поляризации пространственных сигналов при ВЧ радиосвязи является применение судовых антенн с круговой поляризацией сигналов.
Литература
1. Рубинштейн Я.М. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства: Учеб. для ВУЗов. - Л.: Морской транспорт, 1960. - 387 с.
2. Цифровые терминалы спутниковых систем связи. Справочное издание / А.А. Ильин, А.Н. Маринич, А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - СПб.: Деан, 2005. - 192 с.
3. ПистолькорсА.А. Антенны. - М.: Связь, 1947. - 480 с.
4. ВершковМ.В. Судовые антенны. - Л.: Судостроение, 1979. - 272 с.
