И ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАДИОПЕРЕДАЧИ

В свободном пространстве радиоволны, излученные антенной, имеют сферическую расходимость. Вследствие этого электрическая напряженность поля Е убывает обратно пропорционально расстоянию r от антенны.

Ненаправленная антенна, которая излучает мощность Ρ_Σ0 равномерно во все стороны (изотропный излучатель), создает на расстоянии rплотность потока энергии, характеризуемого вектором Пойнтинга П:

П= Ρ_Σ0/4πr², (10)

где π = 3,14... Знаменатель этого выражения численно представляет собой пло­щадь сферы, через которую проходит поток энергии излученных волн.

Вектор П связан с действующим значением напряженности поля Е линей­ной поляризации соотношением

П =E²/120π. (11)

Отсюда нетрудно видеть, что напряженность поля можно выразить как

Е= /r. (12)

Любая реальная антенна имеет направленные свойства. Она излучает энергию неравномерно. Направленность излучения любой антенны в дальней зоне описы­вается зависимостью напряженности поля от угловых координат θ, φ при пос­тоянном расстоянии. Эта зависимость называется характеристикой направлен­ности f(θ, φ),

где θ — полярный угол,

φ — азимутальный угол.

Благодаря меньшему расходу энергии на излучение в боковые лепестки диа­граммы направленности, направленная антенна создает в главном лепестке на расстоянии r такую же напряженность поля, что и ненаправленная, излучая при этом мощность Ρ_Σ меньшую, чем Ρ_Σ0. Отношение

D = Ρ_Σ0 / Ρ_Σ (13)

называется коэффициентом направленного действия (КНД) данной антенны. Таким образом, направленная антенна создает в направлении максимума излу­чения такую же напряженность поля, что и ненаправленная при большем уровне мощности Ρ_Σ0 = Ρ_Σ · D. Поэтому

Е= D/ r. (14)

Мощность излучения Ρ_Σ связана с подводимой к антенне мощностью Р_а соот­ношением

Ρ_Σ = Р_а·h_а (15)

где h_а — КПД антенны, который определяет эффективность преобразовали энергии высокочастотных токов в энергию радиоволн и обратно.

Для одновременного учета потерь в антенне и выигрыша по мощности при направленном излучении служит коэффициент усиления антенны. Он опреде­ляется выражением

G=D·h_а (16)

Так как Ρ_Σ ·D= Р_а·h_а· D = Р_а·G, то напряженность поля примет вид

Е= G/r. (17)

В реальных условиях радиоволны при распространении испытывают более сильное затухание, в отличие от того, которое существует в свободном пространстве. Для учета этого затухания вводят множитель ослабления F(r)=E/E_CB, который характеризует отношение напряженности поля для реальных условий, к напря­женности поля свободного пространства при равных расстояниях, одинаковых антеннах, одинаковых подводимых к ним мощностях и т. п. или, как говорят, при прочих равных условиях.

С помощью множителя ослабления напряженность поля, создаваемая пере­дающей антенной в реальных условиях на расстоянии r, может быть выражена следующим выражением:

Е= E_CB ·F = G/r. (18)

Приемная антенна преобразует падающую на нее электромагнитную волну в электрический сигнал. Количественно это характеризуют эффективной пло­щадью (S_эфф) антенны. Эффективная площадь антенны соответствует той пло­щади фронта волны, из которой поглощается вся содержащаяся в ней энергия. С КНД эта площадь связана соотношением

S_эфф =Dl²/4π. (19)

Изложенное выше позволяет написать уравнение радиопередачи, которое свя­зывает параметры аппаратуры связи и антенн и определяет уровень сигнала на трассе: при мощности передатчика P₁ мощность Р₂ сигнала на входе прием­ника будет равна

Р₂ = P₁··h₁··h₂··G₁··G₂ ·(l·F/4πr)²,

где h₁ и h₂ — КПД передающего и приемного фидеров; G₁ и G₂ — коэффи­циенты усиления передающей и приемной антенн; l — длина волны излучения. Множитель, заключенный в скобки, определяет основные потери при распространении радиоволн (основные потери передачи).

Последнее выражение предполагает, что антенна согласована с фидером, а фидер с приемником (передатчиком). Кроме этого, антенна согласована по поляриза­ции с полем сигнала. В дальнейшем эти вопросы будут рассмотрены более детально.

Уравнение радиопередачи позволяет произвести расчет радиолинии. Напри­мер, зная необходимую мощность на входе приемника (телевизора), мощность передатчика, параметры передающей антенны и питающего ее фидера, затухание на трассе, можно определить необходимый коэффициент усиления приемной антенны, что позволит затем выбрать тип антенны и определить ее размеры.