KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS
TELEKOMUNIKACIJŲ IR ELEKTRONIKOS FAKULTETAS
Referatas
Jonosferos tyrimo būdai
Kilo-, hektometrinių bangų priėmimo antenos
Dėstytojas:
Data:
Autorius: Andrius
Data: 2003 12 10
KAUNAS
2003
I. Radijo bangų sklidimas
Jonosferos tyrimo būdai
Jonosfera – žemės atmosferos sluoksnis, prasidedantis ~60 km aukštyje ir apimantis mezosferą, termosferą ir egzosferą. Susideda iš jonizuotų atmosferos dujų. Jas jonizuoja Saulės ultravioletiniai ir rentgeno spinduliai, kosminės spindulių dalelės. Jonų ir elektronų koncentracija įvairiame aukštyje nevienoda, dėl to jonosfera sąlygiškai skirstoma į 4
sluoksnius: D, E, F1 ir F2 (1 lentelė). Jonosfera įgalina pasinaudoti tolimu radijo ryšiu; Saulės chromosferos žybsniai sukelia joje magnetines audras, polines pašvaistes.
1 lentelė. Žemės jonosferos sluoksniai
|Sluoksn|Aukšti|Elektronų |Susidarymo sąlygos |Jonizuojami |
|is |s |kiekis 1 cm3 | |molekulės, atomai|
| | |dieną |naktį | | |
|D |60-85 |102-10|- |Tik po chromosferinių |N, O2 |
| | |4 | |erupcijų ir tik dieną | |
|E |85-140|105 |102-10|Priklauso nuo Saulės |O2 |
| | | |3 |būsenos; naktį silpnas | |
|F1 |40-200|105 |102-10|Kaip ir E sluoksnio, |O, N2 |
| | | |3 |bet žiemą silpnas | |
|F2 |200-35|105-10|103 | |O, N2 |
| |0 |6 | | | |
[pic][pic]
1 pav. Jonosferos sudėtis
Jonosfera – nevienalytės, jonizuotos dujos. Radijo bangoms – tai aplinka, su palaipsniui mažėjančiu lūžio rodikliu.
[pic]
Esant pakankamai koncentracijai radijo banga sluoksnyje užlinksta ir grįžta į žemę. Sakoma radijo banga jonosferoje asipindi.
Jei [pic], tai [pic] – Sekanto dėsnis
Jonosferos tyrimo būdai:
I. Tiesioginiai:
1) jonosferinės stotys: vertikalaus, nuožulnaus, zondavimo;
2) balionai zondai (oro tyrimui);
3) radijo zondai (reflektometrai);
4) geofizinės raketos;
5) dirbtiniai žemės palydovai.
II. Netiesioginiai – stebėjimo būdai:
1) šiaurės pašvaiščių;
2) dangaus švytėjimo;
3) meteorų pėdsakų;
4) radijo bangų sklidimo.
Radijo bangos jonosferoje yra slopinamos. Jos iššaukia laisvų elektronų harmoninius virpesius. Elektronai susiduria su laisvomis dalelėmis ir prašauna energiją. Ilgesnės radijo bangos slopinamos ilgiau.
II. Antenos
Kilo-, hektometrinių bangų priėmimo antenos
Hektometrinės bangos (300 – 3000 kHz, vidutiniai dažniai VD) sklinda pažemine ir erdvine trajektorijomis. Ilgesnės hktometrinės pažeminės bangos pasiekia iki 700 km nuotolius, ir jonosfera jas mažai veikia.
Trumposios hektometrinės bangos sklinda taip pat erdvine nuo jonosferos atsispindinčia trajektorija, todėl jų priėmimo sąlygos paros bėgyje gerokai kinta. Dieną jonosfera jas slopina, o naktį pažeminės ir erdvinės bangos interferuoja, todėl priėmimo taške signalas kinta. Toks,
100 – 300 km atsumu nuo siustuvo išryškėjantis, artimasis medingas yra selektyviais, nes skirtingo dažnio bangos interferuoja nevienodai. Dėl to iškraipomas signalo spektras, kurio nepataiso automatinis stiprinimo reguliavimas. Artimąjį medingą susilpnina galingesnę pažeminę spinduliuojančios antenos.
Hektometrinių bangų 300 – 525 kHz dažnių sritis naudojama aviacijos ir jūrų navigacijos tarnyboms. 500 kHz yra pagalbos šaukimo (SOS) dažnis.
525 – 605 kHz dažnių sritis, vadinama vidutinėmis bangomis (VB), skirta radijo laidoms transliuoti. 1605 – 3000 kHz bangos naudojamos jūrų ir aviacijos navigacijos bei ryšių, meteorologijos, standartinių dažnių, radijo mėgėjų bei kitoms tarnyboms.
Kilometrinės bangos (30 – 300 kHz, žemieji dažniai ŽD), mažai silpdamos sklinda, sklinda palei žemę iki 3000 km nuotoliais. Šios bangos skirtos jūrų navigacijos ir ryšių tarnyboms. 150 – 400 kHz srityje Europos ir Afrikos geografinėje zonoje dirba seniausia radijo transliacijų tarnyba.
Ši bangų sritis vadinama ilgosiomis bangomis (IB). Dėl siauro dažnių spektro ir tolimo bangų sklidimo šiame diapazone dirba tik keliolika radiotransliacinių stočių.
Hektometrinių ir kilometrinių bangų priėmimo antenų konstrukcija ir tipai labai skiriasi nuo siuntimo antenų, nes tų antenų uždaviniai yra skirtingi. Siuntimo antenos turi spinduliuoti dideles galias, todėl jų naudingumo koeficientas turi būti didelis, o izoliacija gera. Priėmimui paranku naudoti, nors ir mažo naudingumo koeficiento, bet kryptiškas antenas, kurias šiame bangų diapazone sunku realizuoti.
Kaip papraščiausios priėmimo antenos čia naudojami nedidelio aukščio metaliniai, stiebai, taip pat T ir Γ pavidalo vieliniai nesimetriniai vibratoriai. Naudojama taip pat keletas specifinių priėmimo antenų.
[pic]
2 pav. T pavidalo antenos schema (a) ir Γ pavidalo antenos schema (b)
Yra trys pagrindiniai priėmimo antenų tipai: rėminės antenos, feritinės antenos ir vienalaikės bėgančios bangos antenos.
Rėminę priėmimo anteną sudaro viena arba keletas nuosekliai sujingtų plokščių vijų, kurių perimetrai yra daug mažesni už bangos ilgį (paprastai p =< 0,1 λ). Toks rėmelis yra elementarus, nes srovių amplitudės jo ilgyje yra pastovios. Rėmelio forma gali būti kvadratinė, daugiakampė arba paprasta.
[pic]
3 pav. Rėminė antena; h ~ d < < λ
Rėmelio spinduliavimo geba yra didesnė, kai rėmelį sudaro n vijų.
Tokio rėmelio spinduliavimo varža:
Kai rėmine antena yra netoli žemės, jos defektinis ilgis ir spinduliavimo varža dvigubai padidėja. Elementaraus rėmelio elektrinis plotas S/λ2 < < 1, tai rėmelio spinduliavimo varža yra labai maža (kai λ =
1000 m, S = 1 m2, n = 10, tai [pic]Ω). Dėl to yra labai mažas antenos naudingumo koeficientas, ir rėminės antenos naudojamos tik bangoms priimti.
Rėminės antenos gnybtuose paprastai jungiamas kondensatorius.
Suderinus tokį anteninį virpesių kontūrą rezonansui, įštampa antenos gnybtuose padidėja Q kartų. To kontūro kokybė kilometrinėse ir hektometrinėse bangose turi būti Q = 15 – 50, kad per daug nesusiaurėtų anenos darbo dažnių juosta.
Dėl rėminės antenos šonų nevienodų parazitinių talpų ir asimetrijos reiškinių fideryje jos spinduliavimo diagrama horizontalioje plokštumoje (aštuoniukė) yra iškraipoma ir dingsta nulinio priėmimo kryptys. Toks reiškinys vadinamas rėmelio anteniniu efektu. Jis panaikinamas, apgaubus rėmelio vijas metaliniu, viršūnėje perpjauto rėmo pavidalo ekranu.
[pic]
4 pav. Ekranuota rėminė antena
Imtuvas su tokia antena jungiamas koaksialiniu kabeliu. Jis turi būti taip pat ekranuotas. Tokios antenos naudojamos trukdžių signalui susilpninti.
Tuomet trukdžių signalo atėjimo kryptis sutapdindama su normalės rėmelio plokštumai kryptimi, kuria ideali rėminė antena signalo nepriima. Ekranas nesilpnina rėmelio priimamos elektromagnetinės bangos, tačiau labai silpnina pramoninius trukdžius, kuriuose vyrauja elektrinis laukas.
Rėminės antenos naudojamos taip pat radiopelemgavimui, tai yra krypčiai į radijo šaltinį nustatyti. Naudojant dvi sukryžiuotas rėmines antenas, kurios jungiamos prie imtuve įtaisytų sukryžiuotų ričių, krypties nustatymui galima sukinėti ne pačias antenas, o sukryžiuotų ričių viduje esančią priėmimo ritę. Tokia sistema vadinama goniometrine antena.
Rėminės antenos su magnetodielektiko (ferito, μ = 20 + 1000, ε >= 5, ρ > 105 Ωm) šerdimi vadinamos feritinėmis antenomis. Aukštesniems taikomų feritų magnetinė skvarba μ yra mažesnė.
Feritinės antenos defektinis ilgis yra µef kartų didesnis negu tokių pat matmenų rėminės antenos, kurios lef = nkS, todėl tiek pat kartų yra didesnė imtuve indukuojama evj. Feritinės šerdies defektinė magnetinė skvarba µef priklauso nuo šerdies formos, jos ilgio, skerspjūvio ploto ir magnetodielektriko magnetinės skvarbos μ, bet visuomet µef < μ. Paprastai antenų feritinės šerdys yra cilindro formos. Tokios šerdies defektinė skvarba konkrečiam feritui apibrėžiama jos ilgio ir diametro santykiu l/2a, kurį didinant µef tolydžiai didėja.
[pic]
5 pav. Feritinė antena (a) ir jos defektinė magnetinė skvarba (b)
Feritinės antenos yra kompaktiškos, jų rėmelio diametras nedidelis, todėl jose parazitinis anteninis efektas yra silpnai išreikštas, spinduliavimo diagramos minimumai yra gilūs, antenų nereikia ekranuoti.
Šiuo metu gaminami feritai taip pat dekametrinių ir net metrinių bangų antenoms.
Vienalaidė bėgančios bangos antena, dažniau vadinama Beveredžo (pasiūlyta 1918 m.) antena, – į aukštį h = 2 – 5 m virš žemės paviršiaus pakeltas l = (0,5 – 6)λ ilgio horizontalus laidas. Jis viename gale apkrautas rezistoriumi Ra, kurio varža lygi laido banginiai varžai.
[pic]
6 pav. Beveredžio antena
3 mm diametro laido, pakelto į nurodytą aukštį, Ra = 500 – 550 Ω. Antrasis laido galas prijungtas prie suderintos įėjimo varžos imtuvo. Tokia antena dirba kelių oktavų dažnių diapazone, kurį apibrėžia aukščiau nurodytas antenos ilgis.
Bėgančiąją srovės bangą horizontaliame laide indukuota priimamosios bangos horizontalioji elektrinio lauko dedamoji, kuri susikuria prie blogo laidumo žemės paviršiaus; mat bangos frontas čia yra pasviręs. Antenos spinduliavimo diagrama horizontalioje plokštumoje, kai kampas Θ matuojamas nuo laido ašies, skaičiuojama iš formulės:
įvedus antenos elemento kryptiškumo daugiklį [pic] ir paėmus [pic].
Beveredžo antenos kryptingumo koeficientas dėl nuostolių žemėje ir apkrovoje yra mažas, todėl toji antena naudojama tik priėmimui.
Literatūra:
1. K. Paulauskas „Antenos ir mikrobangų įtaisai“
2. www.astro.lt
3. www.elektronika.lt
4. www.qsl.net/ly2bet/info.html
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]