Требования к антеннам

Требования к антеннам

Стелющиеся антенны для стационарных радиоцентров.

Как показывает опыт, после стихийных бедствий (ураган, снежная буря и т.п) или запланированного вывода из эксплуатации стационарных антенн (ремонтные, профилактические работы) связь с корреспондентами удается довольно быстро восстановить с помощью стелющихся антенн (СА). Они способны функционировать на радиотрассах различной протяженности.

Здесь следует отметить, что требования к СА для коротковолновой связи ионосферной волной в основном определяются необходимой дальностью до корреспондента и диапазоном рабочих частот. Причем, чем длиннее радиолиния, тем сильнее к земле должна быть прижата диаграмма направленности (ДН) антенны. В частности, для ближней (до 500-700 км) радиосвязи максимум ДН выставляется под большими (0 = 90-60″) углами к горизонту. Интересно, что такие антенны зенитного излучения могут быть слабонаправленными.

На трассах средней протяженности (до 2000 км) лучше всего применять однонаправленные СА, обеспечивающие излучение электромагнитной энергии под углами 0 = 60-25°. А вот для дальней (магистральной) радиосвязи (свыше 2000 км) целесообразно использовать остронаправленные антенны с малым (0 = 20-5″) углом прижатия главного лепестка ДН. Правда, с увеличением расстояния возрастают и требования к коэффициенту усиления (КУ) антенн. Ведь в этом случае приходится компенсировать соответствующий рост ослабления радиоволн. При этом для приемных СА особенно важным является повышение коэффициента направленного действия (КНД). Хотя требования к нему менее жесткие, чем для передающих СА. Дело в том, что в KB диапазоне внешние помехи очень сильные. Они во много раз превышают внутренние шумы приемного комплекса даже при относительно невысоком КПД антенны. При его снижении одновременно уменьшаются уровни принимаемого сигнала и помех (без ухудшения соотношения между ними). Следовательно, качество приема остается практически неизменным. Значит, СА можно располагать непосредственно на земле.

Практика убеждает, что антенны ионосферных волн желательно делать диапазонными, сохраняя в широком участке частот (слабонаправленные — в восьмикратном диапазоне — 1,5-12 МГц, остронаправленные — в десятикратном — 3-30 МГц) высокое качество согласования с фидером и достаточно большой КПД. Применение подобных антенн позволяет обеспечивать надежный прием в различное время суток, года и 11 -летнего цикла солнечной активности с помощью одного типоразмера. Кроме того, к антеннам стационарных радиоцентров предъявляются повышенные требования по качеству согласования с фидерами и мощными передатчиками. Здесь коэффициент бегущей волны (КБВ) не должен опускаться ниже 0,3 во всем рабочем диапазоне. Всем вышеперечисленным требованиям в полной мере удовлетворяют быстро развертываемые на земле двухкратные самодополнительные антенны “База-500Д”, “База-1500Д” и “База-МД”. Они в течение нескольких лет успешно эксплуатировались на радиолиниях ионосферных волн различной протяженности и оказались вполне надежными. Рассмотрим их подробнее.

Антенна “База-500Д* является слабонаправленной и предназначена для обеспечения ближней радиосвязи в диапазоне 2-10 МГц. Она представляет собой излучатель (см. “Военный вестник”. 1993. № 9.). На рис.1 представлен несимметричный вариант ее исполнения.

Данная СА выполнена в виде системы из четырех попарно взаимоортогональных плоскостных шунтовых вибраторов. Она содержит четыре квадратных излучающих элемента (КИЭ) 1 решетчатой структуры с длиной стороны КИЭ, равной 3 м. Антенна изготавливается из легкой тонкой (толщина до 1 мм), но прочной металлической ленты шириной 10-15 мм или из провода диаметром 3-5 мм. Каждый элемент состоит из квадратной рамки, противоположные вершины которой соединены прямолинейными проводниками. Более того, с обеих сторон каждой диагонали и параллельно ей к рамке подсоединяются один (для приемной антенны — рис.2) или два (для передающей СА — рис.1) дополнительных проводника. Длина сторон КИЭ приемной антенны равна 3 м, и 4 м — у передающей. Внешние вершины соседних КИЭ закорочены между собой металлическими перемычками 2, играющими роль шунтов. Одна пара параллельных вибраторов модуля питается в точках а — а» с помощью распределительных отрезков 3 кабеля РК-75, которые соединяются с фидером 7 (тоже кабель РК-75) через согласующий отрезок 5 кабеля РК-50.

Другая пара вибраторов, ортогональная первой, питается в вершинах в — в» с помощью аналогичных отрезков 4,6 и 8 кабеля РК-75, РК-50 и РК-75 соответственно. Длина согласующих отрезков 5 и 6 равна 8 м и выбирается из условия обеспечения диапазонной компенсации отражений КИЭ. Конец экранной оболочки распределительных отрезков 3 и 4 подключается к одноименным вершинам элементов а’ и в’ соответственно. Центральные проводники этих отрезков подсоединяются к вершинам айв КИЭ. Распределительные отрезки расходятся из центра антенны ортогонально соответствующими фидерами. Затем изгибаются под прямым углом и располагаются вдоль металлических перемычек 2, а потом вновь изгибаются у внешних вершин элементов и размещаются с внутренних сторон КИЭ. Длина этих отрезков составляет 16 м для приемной и 21 м для передающей антенн. Все отрезки подключаемых друг к Другу кабелей с обеих сторон заканчиваются стандартными высокочастотными разъемами типа СР. Это позволяет довольно легко, быстро и надежно осуществлять их взаимное соединение при развертывании СА. Причем время не превышает 5 мин.

Благодаря большой величине развязки между ортогональными входами антенны (более — 20 дВ) представляется возможность применить ее для независимой работы на прием и на передачу одновременно с двумя корреспондентами. Или один вход подключить к передатчику, а второй — к приемнику. Поскольку вибраторы, возбуждаемые фидерами 7 и 8, взаимоортогональны и, следовательно, работают волнами ортогональной поляризации, то при совместном использовании входов антенна обеспечивает прием сигналов с разносом по поляризации. Это в свою очередь позволяет существенно повысить качество радиосвязи. Антенна излучает преимущественно под большими углами к горизонту и поэтому ее нецелесообразно задействовать на трассах протяженностью более 1000 км. Коэффициент усиления данной СА не менее 0,05, КНД равен 5-10, а КБВ — не менее 0,4.

Антенна “База-1500Д” относится к классу направленных и обеспечивает устойчивую и надежную радиосвязь на трассах средней протяженности в диапазоне 2,5-15 МГц. Чтобы получить достаточный КУ под небольшими углами возвышения, ее выполняют из четырех модулей “База”. Ее структурная схема приведена на рис.2. Здесь представлен вариант выполнения КИЭ применительно к приемной СА (по три взаимноортогональных проводника в каждом квадрате). Все кабели в целях более удобного восприятия схемы условно изображены прямыми линиями.

Для установления и поддержания радиосвязи одновременно в двух противоположных азимутальных секторах антенна имеет две независимые системы питания с фидерами 7 и 8. Так, при работе в направлении А она представляет собой плоскую антенную решетку (АР), содержащую две линейки по четыре плоскостных продольных вибратора. Они излучают волны вертикальной поляризации. При работе в направлении В здесь имеется одна линейная АР из восьми поперечных вибраторов, вырабатывающих волны горизонтальной поляризации. В обоих случаях вибраторы расположены вдоль направления на корреспондента и сфазированы по оси АР с помощью кабельных линий задержки 5,5′ и 6,6 1 разной длины. При этом вибратор, расположенный ближе к корреспонденту, возбуждается с задержкой по фазе по отношению к соседнему вибратору.

Разность длин линий задержки, фазирующих соседние вибраторы, выбирается из условия:

Д1ф = D (cos Оф) / vek, (I)

где: D — расстояние между центрами антенных элементов (АЭ) решетки, к которым подключаются соответствующие линии задержки;

Оф — угол фазирования, отсчитываемый от оси АР (при обеспечении связи в направлениях А и В уго Оф = 0° и 180°, а в направлениях ортогональных линии АВ угол Оф = 90° и А1ф = 0, то есть все АЭ возбуждаются синфазно);

Ек — относительная диэлектрическая проницаемость кабеля, которая обычно составляет 2,3.

Система питания со входом А объединяет соседние продольные вибраторы (с точками питания а-а» ) в пары с помощью согласующих отрезков 2 кабеля РК-50 И отрезков 5,5 1 линий задержки из РК-75. В свою очередь пары образуют четверку за счет согласующих отрезков 3 кабеля РК-50 и отрезков 6,6′ линий задержки из РК-75. К последним подключается через согласующий отрезок 4 кабеля РК-50 фидер из РК-75. Длины каждого из отрезков 2, 3, 4, 5 и 6 равны по 5,5 м,а отрезков 5 1 и б 1 выбираются несколько большими по размеру, исходя из условия (I). Причем при нахождении отрезка 5* под индексом D обозначено расстояние между центрами соседних вибраторов (D1 = 2ал/2, а при определении отрезка б 1 — расстояние между центрами соседних пар вибраторов (D2 == 4Ь’\/2, где в — длина стороны КИЭ).

Так как в=Зм,тоД15= 5,5 м,Д 16 = 11 м, а 15 = 11 м и 16 = 16,5 м. Вибраторы соседних линеек питаются синфазно. Поэтому распределительные отрезки 1 и Д1, которые располагаются так же, как в антенне “База-500Д”, имеют одинаковую длину: по 16 м.

В отличие от выше рассмотренной система питания со входом В обеспечивает фазирование не четырех, а восьми вибраторов. По этой причине она содержит дополнительные линии задержки, роль которых выполняют отрезки 1 и 1, равные 1 м и 3,75 м соответственно. Кроме того, отрезки 1, 5 и 6 линий задержки имеют несколько большую длину, чем отрезки 1′, 5 х и б 1 . Они подключаются к поперечным вибраторам, расположенным ближе к точке В. Все отрезки кабелей антенны соединяются друг с другом с помощью высокочастотных разъемов. Это позволяет не только быстро собирать СА, но и путем переключения небольшого числа отрезков системы питания осуществлять поворот максимума ее ДН в нужном направлении. В частности, при взаимной перестановке отрезков 5 и 5′, а также 6 и 6’системы питания со входом А максимум ДН меняется на 180″. То есть антенна может одновременно обеспечивать две радиосвязи в азимутальном секторе углов, примыкающих к направлению В. Либо осуществить здесь прием с разносом по поляризации при совместном использовании входов А и В. Если же попарно выровнять между собой отрезки 1 и 1\ 5 и 5 1 , 6 и 6 1 , то максимумы ДН будут перпендикулярны оси А-В антенны.

Таким образом, антенна “База-1500Д” позволяет вести обмен информацией в двух произвольных азимутальных направлениях, а при работе на прием существенно повысить качество радиосвязи за счет разноса по поляризации.

Основные характеристики антенны:

КУ — не менее 0,2,

КНД достигает 35,

КБВ в фидере превышает 0,4 во всем рабочем диапазоне волн.

На рис. За и 36 показаны ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях для частот 5 и 10 МГц. Как видно, СА уверенно перекрывает своей ДН сектор углов возвышения 25-60°, под которыми проходят ионосферные волны на трассах средней протяженности. Время развертывания антенны не более 25 мин.

В.ФИЛИППОВ, кандидат технических наук, доцент.

Выбор широкополосных измерительных антенн в целях контроля эффективности защиты информации

Выбор широкополосных измерительных антенн в целях контроля эффективности защиты информации

В статье «О критериях выбора программно-аппаратных комплексов, предназначенных для измерения ПЭМИН» приведено краткое юридическое отступление, содержащее действующие нормы для изготовителей товара, в том числе в сфере технической защиты информации. Эти сведения необходимы для четкого понимания своих прав как покупателя сложной продукции и обязательств производителя товара перед покупателем. Для настоящей статьи указанные сведения ни в коей мере не теряют своей актуальности и остаются теми же.

Общие сведения из теории

В настоящее время на рынке представлено значительное количество измерительных антенн отечественных и зарубежных фирм-производителей. Поскольку антенны предназначены для различных целей, разных частотных диапазонов и представляют собой широкий ряд конструктивных решений, введены в действие ГОСТы, определяющие требования к антеннам в определенных областях применения. На практике каждый производитель измерительных антенн в технической документации указывает конкретное назначение и ГОСТ, требованиям которого соответствует конкретная антенна.

Интерес для специалистов представляет наиболее эффективная антенна при ее минимальной стоимости. Говоря об эффективности, следует четко обозначить цели и условия, в которых будет применяться измерительная антенна. В данной статье рассматриваются цели и условия, определенные руководящими документами ФСТЭК России, а также международными стандартами в области электромагнитной совместимости и технической защиты информации при проведении специальных исследований и контроле эффективности защиты информации от ее утечки по техническим каналам. Например: стандарт ANCI C63.2-1980 [1] устанавливает частотный диапазон от 10 кГц до 2 ГГц и набор полос пропускания средства измерения с шириной в зависимости от исследуемого диапазона частот. Столь широкий диапазон частот, подлежащий анализу, накладывает существенные ограничения на конструкцию и эффективность одной измерительной антенны. Поэтому отечественные и зарубежные фирмы-изготовители антенн предлагают для работы в указанном широком диапазоне частот набор из 3-4 антенн, активных и пассивных. Например, измерительные антенны П6-43, П6-44, П6-45, П6-46 (соответствуют ГОСТ Р 51319-99), ЛПА-1 и т.д. – отечественного производства; комплект активно-пассивных антенн НЕ200 (по антенне в каждом из диапазонов 10 кГц-20 МГц, 20-200 МГц, 200- 500 МГц, 500-3000 МГц) – производства фирмы «Роде и Шварц», Германия. В то же время на рынке присутствует антенна, одна перекрывающая указанный широкий диапазон частот (Рис.3.1).

Рис.3.1. Антенна измерительная дипольная активная широкополосная (9 кГц – 2 ГГц)

Из теории антенных систем известно, что эффективность любой антенны находится в прямой зависимости от ее геометрических размеров. Любую антенну можно представить в виде эквивалентной площадки площадью, пропорциональной частотному диапазону, стоящей на пути распространения радиоволн. Коэффициент усиления G антенны по отношению к ненаправленному (изотропному излучателю) определяется по формуле:

Уравнение 1

где:
S – эквивалентная площадь антенны, м2;
l – длина волны, м;
в свою очередь:
l=с/f, где с – скорость распространения радиоволн (3*108 м/с),
f – частота, Гц.

Из формулы (1) видно, что чем больше геометрическая площадь антенны, тем больше коэффициент ее усиления. В случае дипольной антенны размер площадки пропорционален размеру диполя. Из выражения (1) и энергетики следует, что неважно, какую форму будет иметь эквивалентная площадка: будет ли она круглая, квадратная или иметь форму вытянутого прямоугольника. В любом случае при равной площади для одной длины волны (частоты) она будет иметь равный коэффициент усиления, изменяющийся в зависимости от изменения частоты радиосигнала. В то же время форма эквивалентной площадки оказывает самое непосредственное влияние на диаграмму направленности антенны (ДНА). Так, ширина главного лепестка диаграммы направленности связана с линейными размерами площадки следующим приближенным выражением:

где:
DQ – ширина главного лепестка ДНА по уровню –3дБ, град;
l – линейный размер эквивалентной площадки в плоскости измерения ДНА, м.

Формула (2), приведенная к другому виду, позволяет по известной диаграмме направленности антенны оценить размеры эквивалентной площадки:

Для дипольной антенны ширина ДНА по уровню –3дБ в горизонтальной плоскости составляет около 120o, (см. Рис.3.1). Легко определить, что эквивалентная площадка будет иметь размер по горизонтали 1,25 м для частоты 100 МГц, а для частоты 100 кГц – уже 1,25 км. То есть геометрические размеры антенны обратно пропорциональны росту частоты измеряемого сигнала и определяются частотой исследуемого сигнала.

Следует отметить еще один фактор, от которого зависит эффективность антенны. В общем случае коэффициент усиления антенны является произведением коэффициента направленного действия антенны (КНД) и ее коэффициента полезного действия (КПД):

где:
К – коэффициент направленного действия антенны;
m – коэффициент полезного действия антенны.

Выражение (4) означает, что недостаточно сделать антенну большой площади, надо еще всю энергию, падающую на данную площадь, с минимальными потерями доставить к потребителю данной энергии, то есть ко входу средства измерения, к которому подключена антенна. Причем необходимо помнить, что поскольку КПД антенны m не включает в себя потери фидерного тракта между антенной и измерительным приемником, то при расчетах необходимо учитывать ослабление сигнала, вызванное потерями в фидере. Прием электромагнитной энергии из эфира связан с протеканием тока по элементам антенны, поэтому потери в самой антенне определяются омическими потерями в металлических элементах (в случае пассивной антенны). Большое влияние на КПД антенно-фидерного тракта оказывают потери в разъемах и кабельных линиях, которые обязательно надо учитывать при проведении измерений.

Рис.3.2. Частотная зависимость для антенны

С ростом частоты потери в кабельных линиях сильно возрастают. Например, 5-метровый отрезок кабеля типа РК-50-1-11 ослабляет проходящий по нему сигнал на частоте 100 МГц в 1,585 раз (2 дБ), на частоте 1 ГГц – в 6,31 раз (8 дБ), а на частоте 3 ГГц – в 14,1 раз (11,5 дБ). Характеристики затухания cигнала в кабелях с различным типом изоляции приведены в Табл. 3.1.

Табл. 3.1. Характеристики затухания сигнала для кабелей с различным типом изоляции

То есть в высокочастотном диапазоне потери возрастают до недопустимых значений. К тому же пример приведен для идеального случая, когда отсутствуют отражения на концах линии, то есть для случая, когда входное сопротивление антенны и средства измерения равно волновому сопротивлению кабеля. Если входные сопротивления отличаются от волнового сопротивления кабеля, то возникают дополнительные потери.

Анализ характеристик антенн и методика оценочного расчета

Тестирование потерь антенны и ее фидерного тракта, изображенных на Рис.3.1, проводилось на векторном анализаторе цепей ZVB 4 производства фирмы «Rohde&Sсhwarz» (Германия) и представлено ниже. На Рис.3.2 – Рис.3.4 приведены диаграммы частотной зависимости потерь, волнового сопротивления и коэффициента отражения (коэффициента стоячей волны SWR – standing-wave Ratio на упомянутых рисунках) антенны, фидеров и антенны с фидерами в сборе.

Потери и рассогласование оказывают существенное влияние на потенциальные возможно­сти измерительного комплекса, состоящего из измерительной антенны, антенно-фидерного тракта и измерительного приемника (анализатора спектра). В результате могут быть сведены на нет все усилия, затраченные на изготовление сложной антенны. И если теоретически в режиме передачи еще можно компенсировать потери в фидере за счет увеличения мощности, то в режиме приема потери носят необратимый характер. Разрешить данную проблему помогают антенные усилители, расположенные в непосредственной близости от антенны. Вопрос о применении такого усилителя надо решать в каждом конкретном случае, сравнивая внешние шумы антенны и внут­ренние шумы средства измерения. Для того чтобы решить вопрос о необходимости применения антенного усилителя для обеспечения нормальной работы входного тракта средства измерения, вместо антенны надо для сравнения подключить согласованную нагрузку, номинал которой равен волновому сопротивлению фидера (50 Ом). Если даже в экранированной камере (в ночные часы при ее отсутствии) шумы антенны в два и более раз превышают шумы нагрузки, применение антенного усилителя нецелесообразно. Более того, лишний каскад усиления сделает средство измерения более уязвимым по отношению к помехам от близко расположенных источников радиоизлучения.

Рис.3.3. Частотная зависимость для фидеров

Это обстоятельство проявляется особенно сильно при объектовом контроле эффективности защищенности объектов информатизации.

В этом случае исследованию подлежит сигнал побочного электромагнитного излучения (далее – ПЭМИ) технического средства, уровень которого для современных средств вычислительной техники зачастую сравним или даже ниже уровня фонового шума эфира в городах, особенно в областных центрах. Поэтому на установленном расстоянии от источника излучения средство измерения зачастую не фиксирует наличие опасного сигнала, не говоря уж об измерении его уровня. Зато фиксируются и измеряются многочисленные удаленные источники излучения (и их гармоники) с уровнем мощности, превышающим интересующий нас уровень ПЭМИ, но не имеющие никакого отношения к исследуемым техническим средствам. Для устранения влияния шумов при проведении специальных исследований (с целью «повышения чувствительности») многие, в нарушение требований нормативно-методической документации ФСТЭК, почти вплотную приближают антенну к контролируемому техническому средству, изменяя установленную величину расстояния для проведения измерений. Рассмотрим более подробно особенности проведения измерений уровня ПЭМИ вблизи источника излучения (в ближней зоне). Как правило, измерения проводятся в волновой зоне распространения электромагнитной энергии, то есть там, где в пространстве уже сформирована диаграмма направленности излучателя, и поле носит волновой характер. Кроме того, размеры приемной антенны должны соответствовать частотному диапазону принимаемого сигнала. В нашем случае все перечисленные условия нарушены в преобладающем секторе исследуемого частотного диапазона, например для сектора частот 10 кГц – 800 МГц.

Рис.3.4. Частотная зависимость для антенны в сборе с фидерами

В ближней зоне излучения электромагнитное поле имеет сложный характер и для его расчета необходимо решение системы векторных уравнений Гельмгольца. Строгое решение указанных уравнений является задачей электродинамики и относится к теории антенн. В силу того, что с точки зрения безопасности нас интересуют значения напряженностей поля именно в ближней зоне, напомним их основные качественные свойства. В общем случае векторы напряженностей в ближней зоне имеют все три компоненты ЕХ, EY, EZ и HХ, HY, HZ. Зависимость амплитуд напряженностей от расстояния носит нерегулярный характер, а вектор Умова-Пойнтинга является комплексным и по направлению может не совпадать с радиус-вектором R. В ближней зоне сосредоточено определенное количество электромагнитной энергии, которая не излучается в пространство, а лишь ухудшает согласование источника энергии с нагрузкой. С точки зрения измерений, наиболее существенным является то обстоятельство, что в ближнем поле отсутствует однозначная связь между напряженностями электрического и магнитного полей через характеристическое волновое сопротивление свободного пространства (Е/Н=Z0). По этой причине требуется отдельно измерять напряженности электрического и магнитного полей, причем желательно делать это в одной и той же области пространства без дополнительного перемещения оборудования и прокладки фидеров. Кроме того, при измерениях подобного рода требуется специальное оборудование, имеющее широкий динамический диапазон (не менее 50 дБ) и защищенное от перегрузок, а также от взаимного влияния полей.

При измерении электромагнитного поля вблизи технических средств, например при проведении специальных исследований, необходимо учитывать то обстоятельство, что измерительная антенна находится в ближней или промежуточной зоне излучателя, т.е. электрическое поле имеет потенциальный характер [2]. Поэтому наличие потенциала электрического поля, отличного от нуля (чего нет при измерениях в волновой зоне), накладывает определённые требования на затухание асимметричной составляющей сигнала согласующего устройства диполя, из-за недостаточности которого возможна значительная ошибка при измерении поля в ближней зоне излучения посредством антенны, изображенной на Рис.3.1. Упомянутая антенна представляет собой конструктивно объединенные устройства: приемный симметричный вибратор и дифференциальный усилитель с большим входным сопротивлением и несимметричным низкоомным выходом. В основу работы положен принцип преобразования наведенного в приемном вибраторе «частотно независимого (!? авт.) электрического тока в соответствующее ему напряжение на выходе антенны в рабочем диапазоне частот. Дифференциальный усилитель служит для передачи симметричного относительно «земли» тока, наводимого в приемном вибраторе в несимметричную линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, подключаемую к измерительному прибору. Для обеспечения сверхширокой полосы рабочих частот применены в качестве входных К-МОП транзисторы с изолированным затвором» [3]. При этом необходимо заметить, что антенна типа «диполь» (волновой, полуволновой, четвертьволновой и т.д.), называемая также симметричным вибратором, по определению является частотно зависимым преобразователем электромагнитной энергии [4]. Это следует из самого названия антенны, связанного с длинной волны, то есть частотой (см. формулу (1)).
Обычно конструктивное решение, приведенное в паспорте [3], применяется в индикаторах наличия электромагнитного поля или зондах. Рассмотрим более подробно принцип действия подобного устройства. Входной сигнал (как правило, синусоидальный или близкий к нему), принятый дипольной антенной, поступает на устройство, осуществляющее перемножение входного сигнала «сам на себя». Так, если Uвх,=Usin(wt), то на выходе устройства будет сигнал Uвых=KU2sin2(wt), где U – амплитуда входного сигнала, w – его круговая частота, К – коэффициент передачи устройства.

Это выражение можно преобразовать:

Таким образом, в выходном сигнале устройства присутствует постоянная составляющая и переменная составляющая удвоенной частоты. Постоянная составляющая пропорциональна квадрату входного напряжения, поэтому показания индикатора (микроамперметра), подключенного к выходу устройства, будут пропорциональны мощности измеряемого сигнала. Переменную составляющую легко подавить конденсатором достаточной емкости. То есть формально устройство не зависит от частоты, но даже при этом требования к элементной базе подобных устройств остаются актуальными, так как параметры применяемой элементной базы в любом случае зависят от рабочего частотного диапазона. На Рис.3.5 приведена фотография частотно независимого устройства, размещенного в неэкранированной пластиковой трубе, составляющей несущую конструкцию рассматриваемой измерительной антенны.

Рис.3.5. Фото частотно независимого устройства, вид сверху и снизу

В соответствии с п.2.4 второго раздела паспорта [3] «пороговая чувствительность антенны, ограниченная уровнем ее собственных шумов», приведена в Табл.3.2:

Табл. 3.2. Пороговая чувствительность антенны

2.2. ТРЕБОВАНИЯ К АНТЕННЕ И ФИДЕРУ

2. 2. ТРЕБОВАНИЯ К АНТЕННЕ И ФИДЕРУ

Как уже отмечалось, напряжение сигнала на выходе антенны пропорционально напряженности поля в точке ее установки, длине волны сигнала и коэффициенту усиления антенны. Отсюда, чем меньше длина волны (чем больше номер принимаемого частотного канала), тем меньше напряжение сигнала на выходе антенны при прочих равных условиях. Если прием ведется на предельном расстоянии и данная конструкция антенны обеспечивает нормальный прием по первому каналу, то для уверенного приема телевизионных передач по двенадцатому каналу от передатчика той же мощности и расположенного на том же расстоянии понадобится антенна более сложной конструкции, имеющая больший коэффициент усиления. Еще больший коэффициент усиления потребуется для уверенного приема передач в тех же условиях в дециметровом диапазоне волн. Таким образом, требование к коэффициенту усиления антенны должно увязываться не только с удаленностью от передатчика, но и с длиной волны, т. е. с номером канала.

Для того чтобы максимум мощности сигнала, принятого антенной был направлен в фидер и поступил далее на вход телевизионного приемника, антенна должна быть согласована с фидером, а фидер с телевизором. Для такого согласования входное сопротивление антенны должно быть равно волновому сопротивлению кабеля, из которого выполнен фидер, а волновое сопротивление фидера должно быть равно входному сопротивлению антенного входа телевизора. При рассогласовании антенны и фидера часть энергии принятого антенной сигнала не поступит в фидер, а отразится от него и будет антенной излучена обратно в пространство. Это равносильно соответствующему уменьшению коэффициента усиления антенны. Положение, однако, значительно усугубляется, если фидер, кроме того, оказывается рассогласован с телевизором. При этом часть сигнала отразится от антенного входа телевизора и направится по фидеру в виде обратной волны к антенне. Из-за рассогласования фидера и антенны здесь вновь произойдет отражение, и часть сигнала, распространяясь в прямом

направлении, поступит к антенному входу телевизора с задержкой относительно первоначального. Такая задержка создает на экране телевизора повторное изображение, сдвинутое вправо относительно основного. Из-за многократных отражений повторы также оказываются многократными. Таким образом, рассогласование фидера только с одной стороны приводит к уменьшению уровня сигнала на антенном входе телевизора. Рассогласование же фидера с обеих сторон помимо уменьшения уровня сигнала сопровождается появлением повторов на экране. Благодаря тому, что все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом, при использовании в качестве фидера коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом обеспечивается полное согласование фидера с телевизором без применения каких-либо дополнительных согласующих устройств. При этом рассогласование фидера с антенной не может привести к появлению повторов. Однако, если в качестве фидера используется не стандартный коаксиальный кабель, а какой-нибудь суррогат или кабель с другим волновым сопротивлением, появляются повторы. Отсюда возникает основное требование к фидеру: он должен быть выполнен только из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.

В условиях сильного сигнала потеря части его энергии за счет отражения от фидера не опасна. Поэтому часто согласованию антенны с фидером не уделяют большого внимания. Однако при слабом сигнале в условиях дальнего приема пренебрегать потерей части сигнала не следует и вопросам согласования антенны с фидером необходимо уделить большое внимание, так как значительно проще и дешевле достичь согласования, чем увеличения коэффициента усиления антенны.

Повторы на экране возникают не только из-за отражений сигнала от концов фидера, но и в тех случаях, когда антенна помимо основного сигнала принимает сигнал, излученный тем же передатчиком, но поступивший к антенне после переотражения каким-нибудь местным предметом: башенным краном, водонапорной башней, железобетонным зданием и т. д. Если такой местный предмет находится в стороне от прямой, соединяющей передающую и приемную антенны, переотраженный сигнал проходит в пространстве больший путь, чем основной, и поступает к антенне с задержкой относительно основного сигнала, что и приводит к повтору. Переотраженный сигнал поступает к антенне с другого направления относительно основного. Поэтому он может быть ослаблен за счет пространственной избирательности антенны, когда ее способности приема с разных направлений не одинаковы, что характеризуется диаграммой направленности.

Необходимость значительного ослабления переотраженных сигналов приводит к тому, что даже при близком расположении от передатчика часто приходится устанавливать остронаправленные антенны (обладающие большим коэффициентом усиления), хотя большой уровень напряженности поля не требует применения высокоэффективных антенн. В таких условиях при ориентировании антенны иногда оказывается возможно значительно ослабить повтор при очень незначительном ухудшении основного изображения, когда антенна ориентируется не на максимум сигнала, а на минимум отраженной помехи.

Телевизионная антенна обычно имеет симметричную конструкцию, а коаксиальный кабель, из которого выполнен фидер, асимметричен. Непосредственное подключение такого фидера к симметричной антенне недопустимо, так как нарушение симметрии приведет к искажению формы диаграммы направленности: максимум ее главного лепестка отклонится от геометрической оси антенны, форма диаграммы станет асимметричной, прием будет осуществляться не только антенной, но и оплеткой коаксиального кабеля, что еще более исказит диаграмму направленности. Можно, конечно, для подключения к симметричной антенне использовать фидер симметричной конструкции. Выпускаются двухпроводные симметричные высокочастотные кабели разных марок (например, ленточные кабели КАТВ с полихлорвиниловой изоляцией или КАТП с полиэтиленовой изоляцией при волновом сопротивлении 300 Ом), а также симметричные высокочастотные экранированные кабели марок РД с разными волновыми сопротивлениями. Однако использование симметричных фидеров признано нецелесообразным. Поэтому антенный вход телевизионных приемников выполняют в виде гнезда, рассчитанного на подключение коаксиального кабеля с помощью стандартного штекера асимметричной конструкции. Но соединение коаксиального кабеля с симметричной антенной требует использования специального симметрирующего устройства. Обычно кроме симметрирующего устройства приходится одновременно использовать согласующее устройство из-за того, что входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления кабеля. Поэтому обычно симметрирующее и согласующее устройства объединяются в одно симметрирующе-согласующее устройство (ССУ). Конкретные схемы ССУ для антенн разных типов рассматриваются в разделах, посвященных этим антеннам.

Даже при идеальном согласовании фидера с обеих сторон напряжение сигнала на антенном входе телевизора оказывается меньше, чем на выходе самой антенны. Это связано с тем, что при прохождении сигнала по кабелю уменьшается его уровень, происходит его затухание. Затухание тем больше, чем больше длина кабеля и чем больше частота сигнала. Для характеристики кабелей разных марок используется удельное затухание, которым принято называть такое, которое претерпевает сигнал данной частоты, проходя по кабелю длиной 1 м. Удельное затухание в децибелах на метр (дБ/м) и приводится в справочниках в виде графиков или в виде таблиц. На рис. 2. 1 приведены зависимости удельного затухания коаксиальных кабелей разных марок от частоты. Пользуясь ими, можно подсчитать затухание сигнала в кабеле при определенной его длине на любом частотном канале метрового или дециметрового диапазона волн.

Обозначение коаксиального кабеля состоит из букв и трех чисел: буквы РК означают радиочастотный коаксиальный кабель, первое число показывает волновое сопротивление кабеля в омах, второе — округленно внутренний диаметр оплетки в миллиметрах, третье — номер разработки. Из зависимостей рис. 2. 1 видно, что удельное затухание зависит от толщины кабеля: чем он толще, тем удельное затухание меньше.

В связи с тем, что обычно при покупке коаксиального кабеля не известна его марка, также оказываются не известны ни волновое сопротивление этого кабеля, ни зависимость его удельного затухания от частоты сигнала. Однако обе эти характеристики можно легко определить с помощью простых измерений. Для этого нужно снять с конца кабеля наружную защитную оболочку, завернуть оплетку и штангенциркулем или микрометром измерить диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции. Затем нужно снять полиэтиленовую изоляцию и измерить диаметр центральной жилы. Далее определяется отношение диаметра полиэтиленовой изоляции к диаметру центральной жилы. Точное значение волнового сопротивления коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией можно подсчитать по формуле:

где W — волновое сопротивление кабеля в омах, D — диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции в мм, d — диаметр центральной жилы кабеля в мм.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией можно также определить по графику, приведенному на рис. 2. 2.

Наконец, волновое сопротивление кабеля можно определить с достаточной степенью точности, вычислив после измерения отношение диаметра полиэтиленовой изоляции к диаметру центральной жилы. Если это отношение находится в пределах от 3, 3 до 3, 7, кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом, если же — в пределах от 6, 5 до 6, 9, волновое сопротивление составляет 75 Ом. В связи с тем, что внутренний диаметр оплетки кабеля равен диаметру полиэтиленовой изоляции, определив тем или иным из указанных способов волновое сопротивление кабеля, по кривым рис. 2. 1 можно определить удельное затухание данной марки кабеля для соответствующей частоты сигнала.

Требования к антеннам

В качестве облучателя используются рупорные антенны. В СМ диапазоне используются также щелевые антенны, диэлектрические антенны и др.

Общие сведения о радиоприемных устройствах

Назначение и классификация приемников

РПУ предназначено для приема каких-либо сообщений поступивших к нему в виде РВ. Состоит из приемной антенны, приемника и оконечного устройства. Все типы приемников подразделяются на радиовещательные и профессиональные. Авиационные РПУ относятся к профессиональным и классифицируются:

— По структурной схеме: детекторные, прямого усиления, СГП и прямого преобразования.

— По виду модуляции принимаемых сигналов: АМ, ЧМ, ФМ, импульсных сигналов, с комбинированной модуляцией.

— По типу примененных электронных приборов: ламповые, транзисторные, на интегральных схемах.

— По длине волны принимаемых сигналов.

Основные качественные показатели приемников. Виды принимаемых сигналов

Приемники характеризуются следующими качественными показателями:

— чувствительность – способность приемника принимать слабые сигналы при отсутствии помех. Численно чувствительность определяется минимальным значением напряжения или мощности на входе приемника, при котором на его выходе имеет место сигнал требуемого уровня.

— избирательность – свойство приемника выделять полезный сигнал из всех ВЧ сигналов действующих на антенну. Различают амплитудную избирательность, частотную избирательность и по форме сигнала. Основным видом является частотная избирательность. Физическая сущность частотной избирательности заключается в преимущественном усилении полезного сигнала за счет использования резонансных свойств колебательных контуров. Количественно частотная избирательность оценивается коэффициентом избирательности и коэф-том прямоугольности ЧХ.

к– коэффициент усиления на резонансной частоте=1/y=k/k

Коэффициент избирательности показывает во сколько раз ослабляется помеха по отношению с полезным сигналом. Различают избирательности по зеркальному и соседнему каналам.

— Полоса пропускания. Характеризует качество работы приемника. Является условным понятием, т.к. определяется на различных уровнях ЧХ (0.707).

— Выходная мощность или напряжение обеспечивающее нормальную работу оконечного устройства.

— Коэффициент различимости – отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе приемника, оценивает качество воспроизведения сигнала оконечным усройством.

— Диапазон рабочих волн – диапазон частот, в котором приемник осуществляет прием сигналов. В пределах рабочего диапазона приемник плавно или дискретно перестраивается.