RadiobookA

радиолюбительский портал

Воробьев И. М. Оборудование и эксплуатация радиостанций

Глава 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОСВЯЗИ 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.2. ТРАКТЫ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ 1.3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СЛУЖБ Глава 2. АНТЕННО-МАЧТОВЫЕ И ФИДЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АНТЕНН 2.3. ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ПРОТИВОВЕСЫ 2.4. АНТЕННЫ ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ ПРОТЯЖЕННОСТЬЮ 50. 100 км 2.5. АНТЕННЫ ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАДИОВОЛН 2.6. ФИДЕРЫ АНТЕНН 2.7. СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 2.8. МАЧТЫ 2.9. ВЫБОР ТИПА И РАЗМЕРОВ АНТЕНН ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ 2.10. РАЗМЕЩЕНИЕ АНТЕНН НА ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РАДИОСТАНЦИИ 2.11. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АНТЕНН И ФИДЕРОВ 2.12. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АНТЕННО-МАЧТОВЫХ И ФИДЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ Глава 3. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ РАДИОСТАНЦИЙ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 3.2. ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ 3.3. БЕНЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИИ АГРЕГАТ АБ-1-П/30 3.4. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПЕРЕДАЮЩИХ РАДИОСТАНЦИЙ 3.5. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРИЕМНЫХ РАДИОСТАНЦИЙ 3.6. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА РАДИОСТАНЦИЯХ Глава 4. ОБОРУДОВАНИЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ РАДИОСТАНЦИЙ 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 4.2. РАДИОСТАНЦИЯ 2Р20 («АНГАРА-1») 4.3. РАДИОПЕРЕДАТЧИК «АРКТИКА»

Глава 2. АНТЕННО-МАЧТОВЫЕ И ФИДЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

2.6. ФИДЕРЫ АНТЕНН

Требования к фидерам.

В радиостанциях переносных или малой мощности антенна подключается непосредственно к приемнику или передатчику. На передающих и приемных радиостанциях, где антенны размещаются на некотором удалении от технических зданий, для передачи энергии радиочастотных колебаний применяются фидеры.

Фидер является промежуточным звеном между антенной и радиооборудованием, поэтому потери энергии в нем на нагревание проводов, изоляторов, окружающего пространства должны быть сведены до минимума. Для этого в фидерах применяют провода с хорошей проводимостью и радиочастотные изоляторы.

Чтобы не ухудшить направленных свойств антенн, фидеры не должны излучать или принимать электромагнитные волны, т. е. у них должен отсутствовать антенный эффект. Уменьшение потерь энергии на излучение достигается применением симметричных фидеров с близко расположенными друг к другу двумя или несколькими проводами, по которым протекают токи в противофазе, или же применением экранированных фидеров.

Для обеспечения режима бегущей волны в фидере сопротивление нагрузки должно быть равно волновому сопротивлению фидера.

Электрические показатели фидеров.

В фидере передающей антенны в общем случае имеются две волны: одна волна, бегущая от передатчика к антенне, называемая падающей U пад, вторая — от антенны к передатчику, называемая отраженной U отр. Отношение величин волн p= U отр / U пад называется коэффициентом отражения.

Если волновое сопротивление антенны равно волновому сопротивлению фидера, то отраженная волна отсутствует (р=0), в фидере устанавливается режим бегущей волны и вся энергия передатчика поглощается антенной.

В фидере коэффициент бегущей волны k определяется опытным путем и представляет собой отношение минимального напряжения к максимальному k = Umin/Umax, где Umin — напряжение в точке линии, где падающая и отраженная волны встречаются в противофазе; Umax — напряжение в точке линии, где падающая и отраженная волны находятся в фазе.

Между коэффициентами р и k существует зависимость р = (1 — k)/( 1+ k). Важным показателем фидера является его волновое сопротивление W, которое зависит от расстояния между проводами и вида диэлектрика, находящегося между ними, а также диаметра проводов. Если фидер представить в виде распределенных по его длине величин L и С, то

.

Волновое сопротивление является чисто активным и не зависит от частоты и длины фидера.

Коэффициент полезного действия фидера есть отношение мощности, выделяющейся в конце фидера на нагрузке, к мощности в начале фидера, отдаваемой передатчиком

Коэффициент полезного действия фидера следующим образом зависит от его длины:

где β — коэффициент затухания фидера; l — длина фидера.

Обычно потери энергии в фидере невелики и КПД имеет величину не менее 90 % .
Фидеры для антенн передающих радиостанций. На передающих радиостанциях применяются следующие фидеры: симметричные, воздушные двухпроводные с волновым сопротивлением 600 Ом, четырехпроводные с волновым сопротивлением 300 Ом и коаксиальные кабели.

Наиболее прост по конструкции симметричный воздушный двухпроводный фидер. В зависимости от длины фидера и мощности передатчика он выполняется из биметаллического провода диаметром 3 или 4 мм. Для провода d =3 мм расстояние между проводами Д = 225±5 мм, для провода d=4 мм Д=300±5 мм. Волновое сопротивление фидера W =600 Ом. На рис. 2.22 представлены типовые конструкции узла подвески двухпроводного фидера на промежуточной опоре и конструкция промежуточной опоры.

В качестве фидерных опор применяются деревянные столбы и железобетонные стойки СЖ.

Желательно фидер от передатчика до антенны прокладывать по прямой линии; в противном случае угол поворота на одной опоре допускается не более 90°. На угловой опоре фидер имеет

крепление, а переход с одного участка на другой выполняется перемычкой.

Для изготовления фидера с волновым сопротивлением W=300 Ом применяется биметаллический провод диаметром 4 и 6 мм. Несущий провод выполняется из двух проводов, подвешенных вертикально и соединенных перемычками из провода того же диаметра. Расстояние между перемычками устанавливается равным 3 мм, что значительно меньше рабочей длины волны и не влияет на распределение зарядов, а следовательно, и токов в линии.

Для провода d = 4 мм расстояние между разнофазными проводами фидера Д=250±5 мм, а между одноименными — b= 400±5 мм, для провода d=6 мм расстояние между разнофазными проводами b =300±5 мм, а между одноименными — b = 300±5 мм (рис. 2.23).

На рис. 2.23 даны конструкции промежуточной опоры и узла подвески четырехпроводного фидера на промежуточной опоре. Установка промежуточных опор четырехпроводного фидера осуществляется с переменным шагом по закону случайных чисел в пределах (30±5) м.

На угловых опорах соседние участки четырехпроводного фидера соединяются между собой посредством цилиндрических перемычек, выполненных из биметаллического провода диаметром 3 мм.

По четырехпроводному фидеру из-за его пониженного волнового сопротивления увеличивается передача мощности в 1,6 .

. 1,8 раза, поэтому эти фидеры эксплуатируются при работе антенн с передатчиками большой мощности.

Около технических зданий на расстоянии 15 . 25 м устанавливаются оконечные фидерные П-образные опоры, называемые порталами. В зависимости от числа и типа подводимых фидеров порталы выполняются из дерева, железобетонных опор или металлических ферм. С порталов фидеры вводятся в техническое здание через специальные проходные изоляторы (рис. 2.24), устанавливаемые в стенах здания на уровне не ниже 3 м от земли. Вводы ограждают, если они расположены на высоте ниже 3 м.

Для монтажа симметричных фидеров внутри технического здания передающей радиостанции применяются экранированные фидерные секции СЭФ-300-30, позволяющие составить фидер любой длины и конфигурации.

Фидеры для антенн приемных радиостанций.

Воздушный четырехпроводный фидер является типовым фидером, соединяющим приемные устройства с антеннами, и выполняется из биметаллического провода d=l,56 мм (рис. 2.25,а). Волновое сопротивление фидера №=208 Ом. Провода подвешиваются на опорах с помощью изоляторов (рис. 2.25,6). На одних и тех же опорах может подвешиваться несколько фидеров с расстоянием между их осями не менее 0,8±0,01 м. Наименьшее расстояние от нижнего провода фидера до земли 3 м.

На рис. 2.26 представлены промежуточная и оконечная железобетонные опоры фидеров приемных антенн. В качестве фидерных опор могут также применяться деревянные столбы и асбестоцементные трубы.

Допускаются углы поворота фидера на одной опоре до 60°, для чего применяются поворотные изоляторы (см. рис. 2.25,в). Накрест лежащие провода фидера на концах его соединяются между собой. У четырехпроводного фидера слабо проявляется антенный эффект, что весьма важно для антенн приемных радиостанций. У технического здания фидер крепится наглухо к оконечной опоре (рис. 2.26,б), а на опоре около антенны он подвешивается через блок с контргрузом, который позволяет поддерживать фидер в натянутом состоянии при любых климатических условиях. Груз выполняется в виде бетонных колец общей массой 40 . 60 кг. На оконечной опоре у технического здания фидер имеет устройство грозозащиты (рис. 2.27), состоящее из двух грозоразрядников, двух дросселей для стекания статических зарядов, накапливающихся на проводах антенны. Воздушный фидер соединяется с антенным коммутатором технического здания кабелем РД-200-7-12.

Антенно-фидерные устройства

Антенно — фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.

Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии (фидеров).

Содержание

Антенны

Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.

Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции.

Фидеры

Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

• двух или много-проводные воздушные фидеры
• волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений
• линии с поверхностной волной

Антенно-фидерное устройство: принцип работы

Устройство антенно-фидерной системы должен знать каждый, кого интересует передача сигналов в радиотехнических системах (радиовещания, радиосвязи, телевидения). Следует отметить, что в данном случае предусматривается возможность общения в обе стороны. Фидер передает электромагнитные колебания от передатчика к антенне (которая излучает/принимает сигнал) и от нее к приемнику. Об этом и поговорим.

Про антенны

Так называют устройства, главное предназначение которых — прием или излучение электромагнитных волн. Антенны являются неотъемлемой частью любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Следует отметить, что в зависимости от целевого назначения меняется функциональная роль. Например, передающая антенна преобразовывает ток высокой частоты в энергию электромагнитных волн. Может быть и такое, что она является многофункциональной, и может быть еще и приемной. В таком случае улавливаются электромагнитные волны и преобразовываются в энергию высокочастотных колебаний. Такая версия устройства является наиболее предпочтительной благодаря своим технико-экономическим характеристикам.

Про фидер

Это совокупность устройств, благодаря которым энергия подводится от передатчика к антенне и от нее к приемнику. Часто их еще называют фидерным трактом. Конструктивное исполнение напрямую зависит от диапазона частот, которые передаются по нему. Фидер может также излучать волны. Но это возможно только в тех случаях, когда соседние участки двух проводов обтекаются токами, которые совпадают по фазе. Их поля в таком случае взаимно усиливаются. Кстати, на этом эффекте можно реализовать антенны.

Они в таком случае называются синфазными, и следует отметить, что получили весьма широкое распространение. Также могут быть излучения фидера в тех случаях, когда расстояние между проводами по определенным направлениям приобретает существенную разность хода. Следует отметить, что можно подобрать такое значение, при котором произойдет сложение волн. На этом принципе также работают антенны, которые называются противофазными.

Возвращаемся к нашему устройству

Проектирование антенно-фидерных устройств с последующим созданием требует, чтобы отдельные понятия сложились в целостную систему. Итак, если есть радиоканал, сформированный из передающей и приемных антенн, а также тракт распространения, то его можно рассматривать как пассивный линейный четырехполюсник. В чем заключается его особенность? Если в нем электродвижущую силу и нагрузку поменять местами, то параметры системы не изменятся. То есть приемную антенну можно сделать передающей и наоборот. Это свойство называют принципом взаимности. Из него вытекает обратимость процессов передачи и приема. Именно благодаря этому можно обходиться одной антенной, которая выступает в обеих ролях. А это позитивно сказывается на технико-экономических показателях системы радиосвязи, что и способствовало массовому использованию данного принципа.

А что бы почитать по этой теме?

Забегая вперед, следует признать, что данная тема является весьма обширной. Поэтому если после прочтения статьи останутся вопросы, то лучше обратиться к толковым книгам. В качестве первого образца можно посоветовать ту, которую написал Драбкин: «Антенно-фидерные устройства». Данная книга была издана в 1961 году. Но несмотря на свой возраст и довольно существенное устаревание, она еще может быть полезной. Хотя бы тем, что в ней рассматриваются основополагающие теоретические положения, которые полезно изучить всем, кого интересует данная тема.

Книга Драбкина является учебником по антенно-фидерным устройствам. Вообще-то, она предназначена для радиоинженеров и студентов радиотехнических факультетов, но если тема действительно интересует, то разобраться в ней сможет практически любой человек. Особенно следует отметить рассмотрение теории антенн, проволочные, сверхвысокочастотные и самолетные образцы, специфику измерения электрических параметров. Хотя только этим, разумеется, перечень не ограничивается.

Из более современных авторов заслуживает упоминания Ерохин Г. А., «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — это весьма современная и одновременно толковая книга. Можно посоветовать обратить внимание на второе издание, выпущенное в 2004 году. В книге излагаются теоретические положения и, что особенно хочется отметить, много внимания уделено вопросам, которые непосредственно относятся к проектированию и эксплуатации систем телевидения, радиосвязи и радиовещания. За это следует воздать хвалу, которую вполне заслуживает Ерохин. «Антенно-фидерные устройства…» этого автора — действительно полезная книга.

Какие параметры антенн необходимо знать?

Но давайте вернемся к теме статьи. Чтобы определить значение параметров, используют анализатор антенно-фидерных устройств или рассчитывают с помощью формул. Это необходимо для получения прибора с нужными характеристиками. Вот список, на что следует обращать внимание:

1. Излучающая мощность электромагнитных волн. Сила и количество волн, которые от антенны идут в свободное пространство. Подразумевается активная мощность, ведь излучение постепенно рассеивается в пространстве, что окружает антенну. Ее можно выразить через сопротивление.
2. Мощность потерь. Под этим подразумевается значение, которое бесполезно теряется передатчиком при прохождении по проводам антенны тока. Может учитываться значение земли и предметов, при условии, что они расположены вблизи антенны. Также является активным параметром и может быть выражено через сопротивление.

Продолжаем перечислять параметры

Также следует помнить:

1. Мощность в антенне. Значение, что отображает энергию, подводимую от передатчика. Представляется в виде суммы двух предыдущих параметров.
2. Коэффициент полезного действия.
3. Входное сопротивление антенны. Под этим подразумевается значение, которое есть на входных зажимах. Характеризуется наличием ре/активной составляющих. Самый лучший вариант – это настройка в резонанс. В таком случае для генератора дается активная нагрузка, и устройство используется с максимальной эффективностью.
4. Направленность антенны. Под этим подразумевается способность излучать электромагнитные волны в определенную сторону. Для того чтобы судить о данном свойстве, используют диаграмму направленности.

Остальные параметры

Кроме перечисленных, следует знать:

1. Коэффициент направленного действия.
2. Рабочий диапазон. Более специализированно используется понятие полосы пропускания антенны. Так называется интервал частот, где ширина главного лепестка диаграммы направленности не выходит за установленные пределы, коэффициент усиления характеризуется как достаточно высокий, а с фидерным трактом согласование существенно не ухудшается. При этом должно быть небольшим отражение. Это требуется для снижения переходных шумов в каналах, присутствующих из-за наличия попутных потоков.
3. Коэффициент защитного действия. Он используется для определения степени ослабления сигналов антенной, которые принимаются из побочных направлений.

Работа с волнами

Монтаж антенно-фидерных устройств осуществляется исходя из того, где и в каком диапазоне они будут использоваться. При этом необходимо добиться, чтобы направленные свойства были хотя бы в одной плоскости. При малой длине антенны выходят достаточно компактные. Это позволяет делать их вращающимися и получать значительный выигрыш в мощности, понижая одновременно взаимные помехи радиостанций. Ну и куда без этого – осуществлять связь в любом желаемом направлении.

В диапазоне метровых волн для удобства использования часто применяют разнообразные не/симметричные вибраторы. Хотя это далеко не единственный вариант. Из-за размера антенны метрового диапазона довольно проблематично перемещать вручную. Давайте рассмотрим это подробнее.

Чем отличаются волны разной длины?

Отличить по предназначению можно по специфическим особенностям. Следует отметить, что в ряде случаев можно использовать однотипные антенны для работы в смежных диапазонах. Вот их список:

1. Антенны длинных волн. Обладают большими геометрическими размерами. Но несмотря на это, все же значительно меньше длины волны. Высота устройства редко когда превышает 0,2 от ее величины.
2. Антенны средневолнового диапазона. Характеризуются тем, что соразмерны с длиною волн. Отличаются более высоким сопротивлением излучению, нежели предыдущий вариант. Благодаря этому коэффициент полезного действия может достигать 80%. Диаграмма направленности для этих устройств обладает видом вытянутой вдоль поверхности земли восьмерки. Правда, из-за этого поступающие из атмосферы сигналы существенно ослаблены.
3. Антенны коротких волн. К ним предъявляют специфические требования. Но это не на пустом месте, а напрямую связано с особенностями распространения этого диапазона. Для обеспечения устойчивой связи выбирают несущую частоту передатчика в зависимости от времени года и суток.
4. Антенны ультракоротких волн. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия и узкой диаграммой направленности. Связано это с тем, что размеры антенн примерно равны длине рабочих волн.

Обслуживание

Чтобы устройство работало без проблем, необходимо своевременно заниматься его профилактикой. Если говорить о текущем осмотре объектов, то к ним относятся:

1. Антенны.
2. Фидеры.
3. Радиорелейная связь.
4. Фундамент (это и дальше для крупных стационарных объектов).
5. Конструкции опоры.
6. Оттяжки мачт, а также их крепления.
7. Помещения (контейнера) базовой станции.
8. Конструкции крепления основы к фундаменту.
9. Прилегающая территория.

При этом следует уделить внимание таким моментам:

1. Состоянию аппаратуры.
2. Коррозийным и механическим повреждениям.

Кроме текущего, есть еще и планово-периодическое обслуживание антенно-фидерных устройств. Оно предполагает проведение более капитальной проверки, так называемого ревизионного осмотра и осуществление ремонта.

Подведение итога

Вот и рассмотрено, что собой представляют антенно-фидерные устройства. Предоставленной информации, скорее всего, не хватит для того, чтобы соорудить собственный рабочий прибор. Но вот обеспечить необходимым теоретическим минимумом, чтобы двигаться дальше, надеемся, у нас получилось. А если читатель подкован в этих вопросах, то возможно, уже разобрался, что и как нужно делать.