Основные элементы - Сайт пожарной части п.Мортка

3.1. Основные элементы радиосвязи
3.1.1. Излучение и распространение радиоволн. Антенны и антенно-фидерные
устройства
Радиосвязь – вид связи, осуществляемый посредством радиоволн. В основе
радиосвязи лежит преобразование электрической частоты в электромагнитные
колебания радиопередатчиком, распространение их в пространстве и обратное
преобразование радиоприёмником электромагнитных колебаний в электрические
колебания.
Электромагнитные волны излучаются проводником, по которому проходит ток
высокой частоты. Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитных
колебаний, так как электрическое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное – в
катушке.
Если раздвинуть обкладки конденсатора и развернуть соединительные провода в
прямую линию, то токи в этих проводах будут иметь одинаковое направление. Такой
контур называется открытым, и он может излучать электромагнитные волны.
Открытый контур в виде прямолинейного провода, в котором могут происходить
электрические колебания, называют симметричным вибратором или просто
вибратором (диполем). Чтобы колебания были незатухающими, его соединяют с
генератором индуктивной связью. Простейшее антенное устройство для длинных и
средних волн показано на рис. 3.1 [3].
Рис. 3.1. Антенное устройство: а – с заземлением; б – с противовесом
Над землёй на некоторой высоте (чем выше, тем лучше) подвешивается антенна –
провод или система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй
обкладкой является земля или второй провод – противовес, подвешенный невысоко
над землёй.
Вибратор – основная часть антенн, работающих на коротких и ультракоротких
волнах. Мощность излучаемых волн рассчитывается по формуле [3]
Ризл = I2a · Rизл,
(3.1)
где Ia – ток в пучности вибратора; Rизл – сопротивление излучения вибратора,
величина которого составляет 73–80 Ом.
Сопротивление излучения вибратора определяется по формуле [3]
Rизл = 80π2 · (l / λ ),
(3.2)
где l – длина провода антенны; λ – длина волны.
Распространяющиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют
определённую поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии
располагаются в соответствующих плоскостях. На рис. 3.2 [3] приведено графическое
изображение электромагнитной волны. Вектор электрического поля расположен в
вертикальной плоскости, вектор магнитного поля – в горизонтальной. Оба эти
вектора перпендикулярны вектору Умова – Пойтинга . Направление вектора Умова –
Пойтинга совпадает с направлением распространения волн, а его длина в принятом
масштабе соответствует количеству электромагнитной энергии, которую переносят
радиоволны:
=
·
.
(3.3)
Рис. 3.2. Графическое изображение электромагнитной
волны
По мере удаления от излучающей антенны плотность потока энергии радиоволн
уменьшается [3]:
П = Ризл / 4πr2,
(3.4)
где r – расстояние от излучателя.
Частота собственных колебаний открытого контура зависит от ёмкости и
индуктивности провода. Более длинному проводу соответствует бóльшая ёмкость и
индуктивность, а следовательно, и бóльшая длина волны и меньшая частота.
Зависимость частоты собственных колебаний антенны от её длины рассчитывается по
формуле [3]
f = 150 000 / l,
(3.5)
Максимальная мощность, излучаемая антенной, может быть достигнута при
условии равенства частоты генератора и частоты собственных колебаний открытого
контура (антенны). Простейший вид антенны – одиночный прямолинейный провод,
вдоль которого укладывается половина длины волны (λ/2). Протекающий в
передающей антенне переменный ток радиочастоты замыкается через ёмкость между
антенной и землёй (рис. 3.3, а) [3]. Для уменьшения сопротивления цепи тока высокой
частоты основание антенны заземляется. Чем меньше сопротивление заземления и
больше проводимость грунтов, тем лучше условия излучения и ниже потери.
Заземление может быть выполнено специальным противовесом (рис. 3.3, б) [3].
Симметричный (полуволновой) вибратор излучает радиоволны с неодинаковой
интенсивностью в различных плоскостях.
Для оценки направленных свойств антенны любого типа служит коэффициент
направленного действия (КНД), который показывает, во сколько раз нужно увеличить
мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы
сохранить неизменной напряжённость поля в пункте приёма.
а
б
Рис. 3.3. Простейший
протекания токов в
противовесов
вид антенны: а – схема
антенне; б – устройство
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз нужно увеличить
мощность передатчика при переходе от направленной антенны к ненаправленной,
чтобы сохранить неизменной напряжённость поля в пункте приёма. Коэффициент
усиления антенны рассчитывается по формуле [3]
σ = D ∙ ηa,
(3.6)
где σ – коэффициент усиления антенны; D – коэффициент направленного
действия; ηa – коэффициент полезного действия.
Наводимая эдс в приёмной антенне от приходящей радиоволны Епр связана с
напряжённостью электромагнитного поля Е в месте приёма соотношением [3]
Епр = Е ∙ hд,
(3.7)
где hд – действующая высота приёмной антенны.
Фидер – это электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью
которых осуществляется передача электрических колебаний радиочастоты. По
конструкции фидеры подразделяются на симметричные открытые линии из
параллельных проводов, симметричные и коаксиальные кабели, волноводы и т. д.
К фидерам предъявляются следующие требования: потери энергии
высокочастотных сигналов должны быть минимальными, не должны излучать или
принимать электромагнитные волны, передавать требуемую мощность без
электрического пробоя.
Степень согласования фидера с антенной характеризуется коэффициентом
бегущей волны и может изменяться от 0 до 1. В реальных антенно-фидерных
устройствах он составляет 0,6–0,95. Нарушение согласования антенны с фидером
вызывает большие потери мощности передатчика.
3.1.2. Устройство и
принцип
работы
функциональные блоки радиостанций
радиостанций.
Основные
Радиостанции состоят из передающей части (передатчика) и приёмника. Перенос
низкочастотной составляющей информационного сигнала осуществляется с помощью
радиочастотных колебаний, вырабатываемых специальным генератором в
передатчике. Структурная схема радиопередающего устройства показана на рис. 3.4
[3].
Рис. 3.4. Структурная схема радиопередающего
устройства
Звуковые колебания, создаваемые микрофоном, незначительны по величине,
поэтому их предварительно усиливают усилителем звуковой частоты (УЗЧ). Затем с
помощью модулятора этими колебаниями воздействуют на генератор радиочастоты, в
результате чего последний изменяет свою амплитуду (при амплитудной модуляции)
или частоту (при частотной модуляции), или фазу (при фазовой модуляции).
Частота генератора определяется по формуле [3]
ω0 =
,
(3.8)
где С – емкость колебательного контура; L – индуктивность колебательного
контура; Q –добротность колебательного контура.
Чем меньше затухание колебаний в контуре, тем выше его качество.
Хорошими контурами считаются контуры с Q > 150. Важным параметром для
задающих генераторов является стабильность частоты вырабатываемого напряжения.
Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты высокочастотных
генераторов. Параметрическая стабилизация осуществляется соответствующим
подбором параметров и элементов схемы.
В радиостанциях коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ)
диапазона применяется, как правило, кварцевая стабилизация, обеспечивающая
простой технической реализацией высокую стабильность частоты колебаний.
а
Схема кварцевого генератора представлена на рис. 3.5 [3]. На эквивалентной схеме
кварцевого генератора (рис. 3.15, а) Lкв, Скв, rкв – индуктивность, емкость и
сопротивление кварцевой пластины, а С0 – ёмкость кварцедержателя. Добротность
кварцевого резонатора достигает 106–107.
б
в
Рис. 3.5. Схемы включения кварцевых резонаторов: а –
эквивалентная; б – с двумя резонансными частотами; в –
ёмкостная трехточка
Для эквивалентной схемы (рис. 3.15, б) характерны две резонансные частоты:
частота, соответствующая резонансу левой последовательной цепи, состоящей из Lкв,
Скв, rкв [3],
fкв = (2π ∙
)–1
(3.9)
и частота, соответствующая резонансу в параллельном контуре, состоящем из Lкв, Скв,
С0 [3],
f0 = {2π ∙
}–1.
(3.10)
Использование кварцевого резонатора для стабилизации частоты возможно в
интервале fкв–f0. При высокой добротности и малых значениях коэффициентов
линейного и объёмного расширения его эквивалентные параметры остаются
практически неизменными при значительных изменениях температуры окружающей
среды, что позволяет обеспечить высокую стабильность частоты задающего генератора.
Из
эквивалентной
схемы
автогенератора
(рис. 3.15, в) видно, что контур подключается к усилительному элементу тремя точками,
поэтому эта схема называется ёмкостной трёхточкой.
Резонансная частота механических колебаний кварцевой пластины зависит от её
толщины. При работе на частотах свыше 15 МГц толщина этой пластины должна быть
менее 0,3 мм, механическая прочность – ниже допустимой. Поэтому для обеспечения
работы радиостанций, используемых в пожарной охране в диапазоне 140–174 МГц,
задающие генераторы передатчиков проектируются на более низкие частоты, а
повышение рабочей частоты осуществляется с помощью умножителей частоты.
На выходе передатчика стоит усилитель мощности, с которого через согласующее
устройство электрические сигналы поступают в антенну, где происходит
преобразование высокочастотных (промодулированых сигналами, несущими
информацию) электрических колебаний в радиоволны.
Излучаемые передающей антенной радиоволны, достигнув приёмной антенны,
наводят в ней эдс. Её частота равна частоте тока передающей антенны. Мощность
колебаний в приёмной антенне, как правило, невелика. Принимаемые колебания
усиливаются с помощью усилителя.
Различают радиоприёмники, приёмники прямого усиления и супергетеродинные.
Наиболее простым является радиоприёмник прямого усиления. Структурная схема
радиоприёмника прямого усиления показана на рис. 3.6 [3].
Рис. 3.6. Структурная схема радиоприёмника прямого
усиления: 1 – входное устройство; 2 – усилитель
радиочастоты; 3 – детектор; 4 – усилитель звуковой
частоты; 5 – громкоговоритель
Входное устройство приёмника связывает вход первого каскада приёмника
(усилителя высокой частоты) с антенной. Для выделения полезного сигнала из
совокупности сигналов, принимаемых антенной приёмника, используется
колебательный контур, настраиваемый на частоту полезного сигнала.
Супергетеродинный приём заключается в преобразовании принятых колебаний
радиочастоты в колебания промежуточной частоты. Промежуточная частота, как
правило, ниже частоты приходящих сигналов, что облегчает построение схем
усиления.
Для преобразования частоты сигнала fс в промежуточную fпр в приёмнике
маломощный генератор опорных колебаний, частота которого ниже частоты
приходящего сигнала (гетеродин), генерирует вспомогательные колебания с
частотой fг, которые в смесителе суммируются.
Наиболее важными характеристиками приёмника являются чувствительность,
избирательность и диапазон принимаемых частот.
Чувствительность приёмника – это его способность принимать слабые сигналы,
развивая при этом необходимую выходную мощность. Например, при телефонном
приёме амплитудно-модулированного сигнала чувствительность выражается
величиной эдс несущей частоты на входе приёмника, которая обеспечивает на
выходе развитие реализуемой мощности (громкости звучания).
Избирательность приёмника характеризуется его способностью выделять
полезный сигнал из совокупности сигналов других радиостанций, работающих на
частотах, близких к частоте полезного сигнала.
Диапазон принимаемых частот представляет собой область частот, на которые
может настраиваться приёмник. При работе на любой частоте в этом диапазоне
чувствительность, избирательность и другие показатели приёмника не выходят за
пределы норм, установленных для приёмников данного класса.
3.1.3. Радиостанции,
технические данные
применяемые
в
пожарной
охране,
их
тактико-
В пожарной охране применяются радиостанции коротковолнового и
ультракоротковолнового диапазонов.
Радиосвязь предназначена:
– для обеспечения оперативного управления силами и средствами гарнизона
пожарной охраны;
– связи с пожарными автомобилями и подразделениями пожарной охраны;
– взаимного обмена сообщениями между подразделениями на месте пожара;
– дублирования (резервирования) проводных каналов связи.
В настоящее время в подразделениях пожарной охраны для организации связи
находят применение следующие радиостанции: «Гроза-2», «Полоса-2», ВЭБР, «Заря Н2» и ряд других. Для сокращения обозначения типов радиостанций введены условные
обозначения [3], в которых указываются: регистрационный номер, сокращённая запись
телефонной радиостанции, верхняя граница выходной мощности диапазонов (300, 50, 5,
0,5), класс радиостанции (1-й или 2-й), вид модуляции, шифр станции. Запись 30РТ 5–
2–ОМ «Гроза-2» означает: радиотелефонная радиостанция, имеющая регистрационный
номер 30, выходная пиковая мощность 5 Вт, 2-го класса с однополосовой модуляцией,
шифр «Гроза». Радиостанции могут иметь дуплексный или симплексный режим.
Дуплексный режим – это радиосвязь, при которой каждая из двух осуществляющих
связь радиостанций ведёт одновременно радиопередачу и радиоприём. Симплексная
радиосвязь – это двусторонняя радиосвязь, при которой в каждом из пунктов передача и
приём производятся поочерёдно.
Радиостанция «Гроза-2» (30РТ 5–2–ОМ) предназначена для организации
симплексной телефонной и телеграфной радиосвязи. Выпускается в двух вариантах:
– «Гроза-2С» (стационарная – для работы в стационарных условиях);
– «Гроза-2П» (переносная – для работы в полевых условиях).
Радиостанция «Гроза-2» имеет четыре фиксированные рабочие частоты, но в
стационарном варианте используется сетевой блок питания, а в переносном варианте
радиостанция работает от аккумуляторной батареи 4Х2НКП-20У2 или электрического
агрегата ГИП-5ХЛ2. Основные технические характеристики радиостанции «Гроза-2»
представлены в табл. 3.1[5].
Таблица 3.1
Основные технические характеристики радиостанции «Гроза-2»
Диапазон фиксированных частот
Число фиксированных частот
Классы излучений
Выходная мощность передатчика
Приёмник:
– чувствительность
– выходная
мощность
усилителя
низкой частоты (УНЧ)
Потребляемая мощность:
– в режиме «передача»
– в режиме «приём»
1,6–8 МГц
4
USB, CW
Не менее 3 Вт
Не хуже 3 мкВт
0,5 Вт
35 Вт от аккумуляторного блока;
100 Вт от сети
1,5 Вт от аккумуляторного блока;
30 Вт от сети
По своим тактико-техническим характеристикам радиостанция 28РТ 50–2 ОМ
«Полоса-2» наиболее полно удовлетворяет требованиям организации радиосвязи в
пожарной охране на большие расстояния [3]. Она используется для осуществления
связи между гарнизонами либо подразделениями одного гарнизона, находящимися на
расстоянии от 50 до 500 км друг от друга. Данная радиостанция предназначена для
обеспечения симплексной или дуплексной телефонной и телеграфной связи на
четырёх фиксированных частотах и может использоваться как в стационарных, так и в
полевых условиях. В стационарных условиях питание осуществляется от сети
переменного тока напряжением 220 В, в полевых – от аккумуляторной батареи типа
НКН-60 напряжением 24 В. Основные технические характеристики радиостанции
«Полоса-2» представлены в табл. 3.2 [6].
В пожарной охране широко используются радиостанции 56РТМ–А2–ЧМ
«Пальма», обеспечивающие беспоисковую, бесподстроечную симплексную
телефонную радиосвязь с соответствующими стационарными радиостанциями на
среднепересечённой местности. Дальность связи радиостанций серии «Пальма» может
составлять:
– между стационарными радиостанциями 15–30 км;
– между стационарной и возимой радиостанцией 15–20 км;
– между возимыми радиостанциями 8–15 км.
Основные технические характеристики радиостанции типа «Пальма» приведены в
табл. 3.3 [7].
Таблица 3.2
Основные технические характеристики радиостанции «Полоса-2»
Диапазон частот
Класс излучения
Выходная мощность
Чувствительность
Выходная мощность УНЧ
300–8000 кГц
USB
Не менее 30 Вт
Не хуже 3 мкВт
Не менее 100 мВт
Таблица 3.3
Основные технические характеристики радиостанции типа «Пальма»
Диапазон частот
Количество оперативно устанавливаемых каналов
Токи, потребляемые радиостанцией:
– в режиме «приём»
– в режиме «передача»
140–170 МГц
3
0,3 А
0,6 А
Радиостанция «Заря Н-40» предназначена для бесподстроечной двухсторонней
связи в структурных подразделениях пожарной охраны. Обеспечивает вызов и
симплексную радиосвязь между собой и с однотипными радиостанциями «Лён»,
«Маяк», «Вилия». Дальность связи между абонентами с носимыми радиостанциями 8–
10 км, между носимой и стационарной – до 20 км в зависимости от условий местности
и высоты расположения антенны.
Радиостанция имеет следующие функциональные возможности:
– световую индикацию включения и работы в режиме передачи;
– звуковую и световую индикацию разряда аккумуляторов;
– передачу и приём сигнала тонального вызова;
– ступенчатую регулировку громкости.
– экономичный режим дежурного приёма с включённым шумоподавителем.
Основные технические характеристики радиостанции «Заря Н-40» представлены в
табл. 3.4 [8].
Подразделения пожарной охраны используют радиостанции ВЭБР-40/8 и ВЭБР–
160/9, работающие соответственно в диапазонах 40 и 160 МГц. Подразделениям
пожарной охраны рекомендуется применять радиостанции совместно с
манипулятором и кожаным чехлом № 2, а также совместно с гарнитурой ГП-1.
Различные виды манипуляторов применяются для облегчения работы
радиостанций в различных условиях. На рис. 3.7 [9] приведены внешний вид
манипулятора и способ его подключения. Радиостанция с манипулятором может
эксплуатироваться в кожаном чехле.
Таблица 3.4
Основные технические характеристики радиостанции «Заря Н-40»
Диапазон
частот
33–48,5;
57–
57,5; 146–174
МГц
Количество каналов
Разнос между каналами
Мощность передатчика
Чувствительность приёмника
Напряжение питания
Диапазон рабочих температур
Габаритные размеры
Масса
До 80
25 кГц
1,0 Вт
Не хуже 0,25
мкВ
12 В
–30…+ 50 °С
241 45 70
мм
0,85
кг (с
аккумулятором
)
Гарнитура ГП-1 имеет выносную тангету, которую можно нажимать через
огнезащитную одежду и малогабаритный корпус, в котором установлен микрофон и
громкоговоритель. Микрофон и громкоговоритель в малогабаритном корпусе крепятся
на шее оператора и обеспечивают передачу речи и громкий приём сигналов. Имеются
гарнитуры для пожарных, обеспечивающие работу радиостанций при использовании
противогазов.
Рис. 3.7. Внешний вид манипулятора
Носимые радиостанции предназначены в основном для организации связи на месте
пожара. Кроме того, они могут использоваться в подразделениях пожарной охраны,
занимающихся профилактикой. Радиостанции этого типа обеспечивают от одной
аккумуляторной батареи не мене восьми часов непрерывной работы при соотношении
времени приёма ко времени на передачу 8 : 1.