Основы работы в эфире

Тема «Основы работы в эфире»

Тип урока:

Урок обобщения и систематизации знаний

Цели и задачи урока Познавательные.

1. Выбор вида радиосвязи в зависимости от прохождения радиоволн в разные времена года и суток, на различных диапазонах, с использованием различных типов антенн.

2. Пробуждение интереса к изучению иностранных языков.

3. Накопление практического опыта в проведении любительских радиосвязей.

Развивающие.

1. Развитие логического мышления, памяти, в том числе мышечной.

2. Развитие умения применять теоретические знания на практике.

3. Развитие силы воли, умения довести начатое дело до конца.

4. Развитие желания самообразования.

5. Развитие умения работать в коллективе, учитывая интересы других.

Воспитательные.

1. Воспитание патриотизма, достойного поведения, представляя свою страну в международных соревнованиях.

2. Воспитания чувства товарищества, взаимопомощи при достижении коллективной цели.

3. Воспитание самодисциплины, чувства долга, отрицательного отношения к вредным привычкам.

Используемое оборудование:

Трансивер, радиолюбительская карта мира, географическая карта мира, радиолюбительские справочники, антенны: GP, Windom, полуволновой диполь.

Межпредметные связи:

Английский язык География Информатика и ИКТ Основы безопасности жизнедеятельности Физика

Используемая литература радиосвязь диапазон антенна ионосфера

1. Борисов В. Г. Кружок радиотехнического конструирования — М. Просвещение, 1990

2. Борисов В. Г Практикум начинающего радиолюбителя. — М. ДОСААФ СССР, 1983

3. Власенков А. Т., Солдатенков В. А. Основные измерения в практике радиолюбителя. — М.; ДОССАФ СССР, 1971.

4. Городилин В. М. Регулировщик радиоаппаратуры. — М.: Высшая школа, 1983.

5. Дробница Н. А. Электронные устройства для радиолюбителей. — М.: Радио и связь, 1986.

6. Журналы «Радио», «Радиолюбитель», брошюры из серии «В помощь радиолюбителю».

7. Иванов Б. С. В помощь радиокружку. — М.; Радио и связь, 1982

8. Ротхамель, К. Антенны.- Изд. 3-е, доп. Пер. с немецк. М., «Энергия», 1979. -320 стр. с илл./М.Р. Б. Вып.998./

9. Сборник нормативных и методических материалов для дополнительного образования детей. — М., 2000

10. Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С А. Справочник радиолюбителя. — Москва, 2005.

Ход занятия

I. Организационное начало учебного занятия: — 5 мин Мероприятия, осуществляемые по подготовке учебного занятия:

1. Взаимное приветствие педагога и учащихся, проверка отсутствующих, оглашение темы занятия и задач;

2. Проверка технического состояния помещения;

3. Проверка рабочих мест и организация внимания;

Цели:

1. Психологический настрой учащихся на предстоящее занятие;

2. Обеспечение нормальной обстановки на занятии

II. Повторение материала, изученного ранее: — 10 мин Краткое напоминание изученного ранее материала:

1. Основы распространения радиоволн;

2. Практическая ценность материала.

Цели:

1. воспроизведение в памяти учащихся усвоенных знаний, умений, навыков;

мотивация использования полученных знаний.

Особенности распространения коротких волн К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3—30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные и как ионосферные.

С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. Расчет напряженности электрического поля для поверхностной волны можно проводить в зависимости от высоты расположения антенн над поверхностью Земли по формуле Шулейкина—Ван-дер-Поля (1.0).

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Рассмотрим основные особенности ионосферного распространения коротких волн.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым (рис 2.1) и характеризуют расстоянием скачка ., числом скачков n, углами выхода и прихода и, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости; оно меняется в зависимости от времени года, сезона и уровня солнечной активности. В среднем максимальное расстояние скачка принимают равным: при отражении от слоя 4000 км, при отражении от слоя 3000 км, при отражении от слоя Е 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при направлении излучения волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту, что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка.

Рис. 2.1. Схема распространения коротких волн на большие расстояния:

1, 2—волны, распространяющиеся путем двух отражений от ионосферы; 3 — волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы; 4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то = и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10—15° (см. рис. 2.1). Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения

(2.01)

при =, называют расстоянием зоны молчания (). Углы выхода больше дают ряд траекторий, причем оптимальные условия радиосвязи выполняются, если угол прихода волны на заданное расстояние соответствует углу максимального излучения антенны (луч 2 на рис. 2.1).

Чтобы волна могла быть принята на определенном расстоянии от передатчика, во-первых, должно выполняться условие отражения волны от ионосферы (2.01) и, во-вторых, напряженность электрического поля полезного сигнала в данном месте должна превышать уровень помех. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, определяемого формулой (2.01). Из этого условия выбирают максимальную применимую частоту (МПЧ), являющуюся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого.

Рис. 2.2. Механизмы распространения коротких волн: а — схемы различных механизмов распространения; I — одно отражение от слоя F; II — рассеянное отражение от слоя F; Ill—два отражения от слоя F'; IV—одно и два отражения от слоя F; Vдва отражения от слоев E и F; VI—два отражения от слоя Е; б — вероятность появления различных механизмов распространения: — протяженность трассы 1500 км; — — — протяженность трассы 3000 км Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах 1025 м, а ночью—на волнах 35−100 м. Понятно, что необходимость менять длину волны и каждый раз правильно выбирать ее усложняет как конструкцию станции, так и работу оператора.

Ионосфера имеет несколько максимумов ионизации, вблизи которых могут отражаться радиоволны. В зависимости от рабочей частоты, угла 60 и состояния ионосферы отражение может происходить в той или иной области ионосферы: при этом возможны различные траектории распространения волн. Как показала статистическая обработка многочисленных наблюдений, на трассе протяженностью до 3000 км наиболее часто наблюдаются модели траекторий распространения радиоволн, изображенные на рис. 2.2, а. Частота случаев появления каждой из моделей распространения характеризуется гистограммами рис. 2.2, б.

На линии протяженностью 1500 км наиболее часто одновременно приходят волны, дважды отраженные от слоев F, а Е (модель V); на линии протяженностью 3000 км распространение происходит чаще путем одного отражения от слоя F. В годы минимума солнечной деятельности часто наблюдается отражение только от слоя F. Преимущественной модели траектории распространения волны не существует. Вероятность появления той или иной модели зависит от протяженности трассы и уровня солнечной активности.

Помимо перечисленных моделей, возможны случаи аномального распространения радиоволн. Аномальное распространение может возникнуть при появлении на пути волны спорадического слоя, от которого могут отражаться более короткие волны, вплоть до метровых.

Существенное влияние на распространение коротких волн оказывает неоднородность ионосферы в горизонтальном направлении.

Градиенты критических частот максимальны в утренние часы, когда величина их достигает 0,4 МГц на 100 км. Градиенты критических частот возрастают с увеличением солнечной активности.

III. Практическая деятельность: — 90 мин Опрос правил ТБ, осмотр заземления.

Самостоятельное выполнение учащимися поставленной задачи:

1. Природные факторы на момент проведения занятия;

2. Выбор типа антенны по диапазону;

3. Настройка измерительной аппаратуры;

4. Установка на трансивере диапазона для проведения связей;

5. Подключение антенны для проведения связей, поиск свободного участка диапазона;

6. Вызов корреспондента, проведение радиосвязи;

Цели:

1. Усвоение фактов и основных идей;

2. Усвоение метода исследования изучаемого материала;

3. Овладение методикой воспроизведения изучаемого материала;

4. Развитие самостоятельности и творческого мышления;

5. Совершенствование методов самостоятельной работы.

Краткое описание:

Качество радиосвязи зависит от многих факторов. Одним из важнейших фактором является выбор диапазона и типа антенны. Теоретические разделы радиофизики дают весьма приблизительную картину распространения радиоволн. Оно зависит от многих взаимосвязанных, постоянно изменяющихся природных факторов планетарного масштаба, таких как:

число пятен на Солнце (солнечная активность);

состояние ионосферы Земли;

географическое положение радиостанции;

время суток;

время года;

проводимость почвы и т. д.

Из-за нестабильности природных факторов прогноз прохождения радиоволн является очень приблизительным и краткосрочным, а важность радиосвязи в жизни человека общеизвестна и не подлежит сомнению. Как же спрогнозировать прохождение радиоволн на ближайшие несколько часов? Для решения этой проблемы Международный Союз Радиосвязи проводит дорогостоящий круглосуточный мониторинг распространения радиоволн. Мониторинг прохождения радиоволн ведётся с помощью солнечных обсерваторий, искусственных спутников земли, специальных наземных наблюдательных пунктов и радиотелескопов. Результаты мониторинга несколько раз в сутки сообщаются заинтересованным службам по специальным каналам. Эта информация не доступна радиолюбителям и им приходится определять прохождение радиоволн экспериментально. Таким образом, практическое исследование зависимости качества радиосвязи от выбора диапазона, типа антенн, природных условий, и полученный при этом результат, является основной проблемой занятия.

Краткая характеристика основных параметров антенны.

1. Резонансная частота.

Антенна излучает электромагнитные волны, когда к ней приложено возбуждающее колебание. Эффективность ее излучения наибольшая, когда частота возбуждающего колебания совпадает с резонансной частотой. Как правило, длина антенны равна половине или четверти длины волны на центральной рабочей частоте. Однако из-за емкостных и концевых эффектов электрическая длина антенны больше, чем ее физическая длина. На резонансную частоту антенны влияют: близость расположения антенны над землей или какого-нибудь проводящего объекта. Если это антенна многоэлементная, то резонансная частота активного элемента, может изменяться в ту или иную сторону, в зависимости от расстояния активного элемента по отношению к рефлектору или директору.

2. Импеданс антенны.

Импеданс антенны меняется вдоль ее длины. Точка максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения. Импеданс в этой точке, называют входным импедансом и он состоит из активного сопротивления излучения антенны и реактивной составляющей. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет — индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной — емкостной характер. На практике реактивная составляющая импеданса меняется от нуля до + 100 Ом. Импеданс антенны зависит и от других факторов, например от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям. В идеальном случае полуволновой симметричный вибратор имеет сопротивление излучения 73 Ом, а четвертьволновой несимметричный вибратор — 53 Ом. На практике эти сопротивления изменяются от 5 до 120 Ом для полуволновой и от 5 до 80 Ом для четвертьволновой антенны. Сопротивление антенны можно измерить с помощью измерительного моста. Обычно для этого используют мост Уитстона, который еще называют антенноскопом. Конструкция его проста и описана в разных изданиях для радиолюбителей. Измерение проводят после настройки антенны в резонанс. Принято измерять импеданс антенны во всем рабочем диапазоне частот, чтобы учесть наличие реактивности на краях диапазона.

3. Диаграмма направленности антенны.

Диаграмма направленности передающей антенны. Можно снимать поворачивая ее и измеряя напряженность поля фиксированной точке на частоте передачи. Эти измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.

Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны. В радиолюбительской практике это наиболее сложный вид измерений. Проводя измерения в ближней зоне необходимо учитывать ряд факторов влияющих на достоверность измерений. Любая антенна кроме основного лепестка имеет еще и ряд боковых лепестков, в диапазоне коротких волн мы не можем поднять антенну на большую высоту. Наибольшая энергия поступает от передающей к приемной антенне в случае, если первая зона Френеля свободна от посторонних предметов, При измерениях диаграммы направленности в диапазоне КВ боковой лепесток отразившись от Земли или от ближнего здания может попасть на измерительный зонд, как в фазе так и в противофазе, что приведет к ошибке в измерениях.

Потребуется несколько контрольных измерений с измерением расстояния до измерительного зонда и измерение высоты установки зонда. Такая погрешность возникает и при измерении на дальних трассах. Оптимальный угол прихода радиоволн от корреспондента зависит от состояния тропосферы и количества переотражений. Это приводит к тому, что разные корреспонденты в зависимости от трассы будут давать разные цифры при оценке отношения F/B. В связи с выше сказанным желательно размещать зоны на такой же высоте, как и антенна и расстояние от антенны до измерительного зонда выбирать от 1,5 до 2

4. Коэффициент усиления.

Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю. Однако важно, чтобы эталонная и исследуемая антенна измерялись в идентичных условиях. Имеется ввиду одинаковая высота подвеса над Землей и одинаковое расстояние до измерительного зонда, при этом, близкое расстояние между двумя измеряемыми из-за влияния антенн друг на друга. Если возле антенны типа волновой канал, на близком расстоянии расположить диполь, то мы получим синфазную решетку с одной пассивной и одной активной антенной. Изменится диаграмма направленности обоих антенн и в большей степени это повлияет на полуволновой диполь, его усиление будет больше, чем обычного одиноко стоящего диполя. Чтобы избежать этой ошибки, сначала с помощью индикатора напряженности поля измеряют полуволновой диполь, а потом снимают его, на его место устанавливают новую испытываемую антенну и проводят еще одно измерение.

5. КСВ. Коэффициент стоячей волны.

Как видим этот параметр стоит на последнем месте и не является первостепенным. Если антенна настроена в резонанс и в ходе настройки мы скомпенсировали ее реактивность, и согласовали с фидером питания по сопротивлению, К.С.В. будетединица. Любая антенна, простая она или сложная, является резонансным устройством и требует настройки. Настройка включает в себя измерение основных параметров антенны и коррекция их путем подгонки линейных размеров элементов антенны, расстояний между элементами, настройки согласующих и симметрирующих устройств. Так как антенну мы сами не рассчитываем, а берем уже размеры готовой проверенной на практике конструкции, возникает вопрос о целесообразности настройки антенн. Как выше уже было сказано, антенна является резонансным устройством, и так как любое резонансное устройство при повторении требует настройки, то и на антенну распространяются эти же правила. Представьте себе, что нам нужно рассчитать параллельный контур на какую-то конкретную частоту, по каким бы формулам мы бы не считали, какие бы программы не применяли, практически получить нужную частоту мы можем, только после настройки контура уже в готовой конструкции генератора. Не возможно рассчитать влияние экранов, паразитные емкости и индуктивности монтажа и так далее. Тоже самое происходит и с антенной, краевой эффект здания на котором расположена антенна, влияние оттяжек мачты и т. д., очень много неизвестных величин. И даже все перечисленное выше еще не аргумент, подумаешь добились прибавки в усилении антенны пол децибела или децибел, разве это можно реально оценить при работе в эфире, оказывается можно. Ведь антенну характеризует не один какой-то конкретный параметр, а совокупность всех основных параметров, к которым относятся: усиление, диаграмма направленности, коэффициент полезного действия. Здесь следует привести пример, который известен многим радиолюбителям. При переходе от простых антенн к более сложным реальная прибавка в силе сигнала намного больше, чем при сравнении числовых значений усиления простой и более сложной антенны. Например, если простую антенну типа полуволновой диполь, сравнивать с антенной двойной квадрат, то даже не настроенный двойной квадрат с усилением например 5 децибел в эфире может дать прибавку в силе сигнала от 10 до 30 децибел по сравнению с полуволновым диполем, в зависимости от состояния эфира, прохождения, угла прихода сигнала, наличие индустриальных помех и т. д. Точно такой же эффект мы могли бы наблюдать сравнивая две идентичных антенны, одна из которых была настроена по всем основным параметрам, вторая собрана по расчетным значениям. А так как основная масса радиолюбителей настраивает антенны только по К.С.В., отсюда и чудеса в эфире, одну и туже конструкцию антенны одни хвалят, другие ею не довольны. Если настраивать антенну только по К.С.В., то с основными параметрами кому как повезет, а впадая в крайность и настраивая антенну только по К.С.В., можно из антенны сделать хорошую согласованную нагрузку для выходного каскада передатчика. Он хорошо будет работать в нормальном режиме, только антенна при этом может иметь плохую диаграмму направленности, низкий коэффициент полезного действия, часть мощности будет расходоваться на нагрев элементов антенны и антенно-фидерного тракта и самое неприятное, что может быть для радиолюбителя — это помехи телевидению.

Из этого следует, что необходимо проводить измерения и настройку, как самой антенны, так и отдельных ее узлов, входящих в антенно-фидерный тракт, таких, как симметрирующие и согласующие устройства. При изготовлении и проработке узлов и деталей будущей антенны предусмотреть возможности измерения линейных размеров, там, где это необходимо для настройки отдельных элементов антенны, учитывая тот фактор, что антенна должна настраиваться на высоте ее постоянной эксплуатации. Возможность неоднократного спуска и подъема антенны или дистанционной подстройки.

Исходя из того, что основная масса радиолюбителей не имеет хорошей базы специализированных приборов, определим минимум простых и самодельных приборов, необходимых для измерений основных параметров антенны. Приборы представлены в таком порядке, в котором должны проводиться измерения, и другой порядок измерений при настройке недопустим.

IV. Контроль и «оценка» знаний и умений: — 5 мин Контроль и «оценка» знаний осуществляется по ходу проведения занятия.

Приобретенные умения оцениваются на протяжении всей практической деятельности учащихся.

Оценка результатов проводится по результатам выполнения отдельных операций с последующим собеседованием.

Цели:

1. Выработка критериев «оценки» знаний и умений со стороны педагога;

2. Выработка позитивной мотивации к получению знаний;

воспитание объективной самооценки

V. Обобщение и подведение итогов занятия: — 10 мин Обсуждение с учащимися результатов проведенных радиосвязей:

1. Самоанализ учащимися сделанного выбора диапазона и антенны, выявление причин неверного выбора диапазона и антенны;

2. Рекомендации по устранению ошибок при выборе диапазона и типа антенны;

3. Самоанализ качества проведённых радиосвязей;

4. подведение итогов занятия.

Цели:

1. рефлексия.