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无线电测向原理

时间:2017-9-7 8:46:00 浏览次数:102

一、无线电波的发射

   随着科学技术的不断发展,人们与无线电的关系越来越密切了。播送广播节目和电视节目的广播电台和电视台,是通过发射到空间的无线电波把声音和图象神奇地传送到千家万户的,这个道理已成为人们的常识。让我们再来简单地回顾一下发射和接收过程:广播电台(电视台)首先把需要向外发射声音和图象变为随声音和图象变化的电信号,然后用一种频率很高、功率很强的交流电做为运载工具,将这种电信号带到发射天线上去。再通过天线的辐射作用,把载有电信号的高频交流电转变为同频率的无线电波(或称电磁波),推向空间,并象水波一样,不断向四周扩散传播,其传播的速度在大气中为每秒30万公里。在电波所能到达的范围内,只要我们将收音机、电视机打开,通过接收天线将这种无线电波接收下来,再经过接收机放大、解调等各种处理,把原来的电信号从运载工具中分离出来,逼真地还原成发射时的声音和图像,我们就能在远隔千里的地方收听(收看)到广播电台(电视台)播出的节目。

   无线电测向也是利用类似的途径和方式实现的,只是它所发射的仅仅是一组固定重复的莫尔斯电报信号。电台的发射功率小,信号能到达的距离也极为有限,一般在10公里以内。下面,我们紧密结合无线电测向,介绍一些有关的无线电波的基础知识。

1. 无线电波的传播途径

无线电波按传播途径可分为以下四种:天波——由空间电离层反射而传播;地波——沿地球表面传播;直射波——由发射台到接收台直线传播;地面反射波——经地面反射而传播。

无线电测向竞赛的距离通常都在10公里以内,所以,除用于远距离通信的天波外,其它传播方式都与测向有关,160米和80米波段测向,主要使用地波;2波段测向,主要使用直射波和地面发射波。

2. 无线电波在传播中的主要特性

无线电波离开天线后,既在媒介质中传播,也沿各种媒介质的交界面(如地面)传播,其传播的情况是非常复杂的。它虽具有一定的规律性,但对它产生影响的因素却很多。无线电波在传播中的主要特性如下:

1)直线传播  均匀媒介质(如空气)中,电波沿直线传播。无线电测向就是利用这一特性来确定电台方位的。

2)反射与折射  电波由一种媒介质传到另一种媒介质时,在两种介质的分界面上,传播方向要发生变化。图2-1所示的射线由第一种介质射向第二种介质,在分界面上出现两种现象。一种是射线返回第一种介质,叫做反射;另一种现象是射线进入第二种介质,但方向发生了偏折,叫做折射。一般情况下反射和折射是同时发生的,入射角等于反射角,但不一定等于折射角。反射和折射给测向准确性带来很大的不良影响;反射严重时,测向机误指反射体,给接近电台造成极大困难。

3)绕射  电波在传播途中,有力图绕过难以穿透的障碍物的能力。绕射能力的强弱与电波的频率有关,又和障碍物大小有关。频率越低的电波,绕射能力越强;障碍物越大,绕射越困难。工作于80米波段的电波,绕射能力是较强的,除陡峭高山(相对高度在200米以上)外,一般丘陵均可逾越。2波段的电波绕射能力就很差了,一座楼房,或一个小山丘,都可能使信号难以绕过去。因此,测向点的选择就成为测向爱好者随时都要考虑的一大问题。

4)干涉  直射波与地面反射波或其它物体的反射波在某处相遇时,测向机收到的信号为两个电波合成后的信号,其信号强度有可能增强(两个信号跌叠加)也可能减弱(两个信号相互抵消)。这种现象称为波的干涉。产生干涉的结果,使得测向机在某些接收点收到的信号强,而某些接收点收到的信号弱,甚至收不到信号,给判断电台距离造成错觉。2波段测向中,这种现象比较常见。

另外,如图2-2所示,天线发射到空间的电波的能量是一定的,随着传播距离的增大,不仅在传播途中能量要损耗,而且能量的分布也越来越广,单位面积上获得的能量越来越小;反之,距电台愈近,单位面积上获得的能量愈大。在距电台数十米以内,电场强度的变化十分剧烈,反映在测向机耳机中的音量变化也格外明显,这一特点有助于测向运动员在接近电台后判断电台的距离及其位置。

3.天线的架设与电波传播形式的关系

当发射天线垂直于地面时,天线辐射电磁波的电场也垂直于地面,我们称它垂直极化波;当天线平行于地面时,天线辐射电磁波的电场也平行于地面,我们叫它水平极化波160米波段和80米波段,规定发射垂直极化波,因而要求发射天线必须垂直架设;2波段规定发射水平极化波,因而要求发射天线必须水平架设。

 

二、无线电测向机的组成与特点

   无线电测向机是测向运动员在训练与比赛中赖以测出隐蔽电台方位的工具,根据工作波段的不同,测向机的电路和外形结构也不尽相同。但一部测向机,无论是简是繁,是大是小,都是由测向天线、收信机和指示器三部分组成的。其方框图如图2-3所示。

1.测向天线

测向天线接收被测电台发出的无线电信号,并对来自不同方向的电波产生不同的感应电势,这是测向机不同于一般收音机的主要区别。目前测向运动中,160米波段测向机使用磁性天线以及与它相配合的直立天线;80米波段测向机多数也用磁性天线加直立天线(过去也有用环形天线加直立天线的,但因环形天线体积大,不易看准方向线,已很少使用);2波段测向机使用八木天线。

2.收信机

收信机对测向天线送来的感应电势进行放大解调等一系列处理,最后把所需信号送入指示器。一般测向机的收信部分与普通收音机基本相似,但根据测向的特殊需要,它还应具备以下特点:

1)为保证远距离收到隐蔽状态下的小功率电台信号,应有较高的灵敏度。但为使近距离测向时信号不致阻塞,(信号过强时出现的现象)保持良好的方向性,以及能准确判断电台距离,收信机必须有整机放大量调整和衰减信号装置。

2)测向机的音量应随天线感应电势的大小发生明显的变化。收音机中为提高音量稳定而设置的自动音量控制电路,不能用语测向机。

3)测向机的外形结构设计应适应剧烈运动的需要,即坚固、防雨、防震、便于携带和操作。

4)除天线外,其余部件不得接收电波,以防破坏测向机的方向性。因此,应使用金属外壳将整机屏蔽。

3、指示器

指示器将天线对不同方向电波的反应显示出来。目前测向机都采用耳机作指示器通过耳机将电信号还原成声音,依靠耳机中声音大小判断电台方向。

 

三、测向天线的基本工作原理

   测向机的主要功能是测定发信电台的方向,这就要求测向机必须具备良好的方向性。这主要依赖测向天线的设计与制作。

1.磁性天线工作原理

16080米波段测向使用的磁性天线,由磁棒和绕在磁棒上的天线线圈及引线、屏蔽罩组成。基本结构如图2-4所示。

1)磁棒  磁棒由软磁铁氧体磁性材料制成。它的特点是既易被磁化,又易退磁,有较高的导磁率。对于均匀磁场来说,磁棒内部所产生的磁阻远较空气小,所以将有大部分磁力线集中到磁棒内。图2-5a)所示为一均匀磁场,图2-5b)表示了加入磁棒后磁场的分布。由图中不难看出,磁棒的加入,聚集了大量空间磁力线,从而使磁棒上的线圈感应出很强的信号电压。

2)磁性天线工作原理  我们来看图2-6,这是将磁性天线平行于地面放置,并接收垂直极化波时的俯视图。电波从左向右传播,其磁场方向必定垂直于电波传播方向,并与地面平行(如图中虚线所示)。磁性天线的输出电势E磁会随O的改变而变化。

当磁棒轴线与电波传播方向平行时(θ=00θ=1800),磁场方向与磁棒垂直,磁力线无法顺着磁棒穿过线圈,线圈感应电势为零,即e=0。当磁棒轴线与传播方向垂直时(θ=900θ=2700),磁场方向与磁棒平行,磁棒聚集最多的磁力线通过线圈,线圈中的感应电势最大。磁棒轴线与传播方向成其它角度时,多少会有一部分磁力线通过磁棒,天线有电势输出。θ愈接近001800e磁愈小;θ愈接近9002700e磁愈大。总之,e磁随θ的变化而变化,其变化情况可用图2-7表示,这就是磁性天线的“8”字形方向图。

   在其它条件不变的情况下,磁性天线转动1800e磁改变极性。设在001800范围内的感应电势为正值,则1803600的感应电势为负值。

   当用耳机作为测向机指示器时,所发声音将随e磁的大小而变化。若转动磁性天线一周,当磁棒轴线正指电台时(即图2-7中的001800两个方向),耳机声音最小或完全无声,此时称小音点或哑点;当磁棒轴线的垂直方向对着电台时(即图中的的9002700两个方向)耳机声音最大,此时磁性天线正对着电台的那个面称大音面,或大音点。在测向中,只要转动磁性天线,找出哑点,发射台必定位于磁棒轴线所指的直线上,这就是通常所说的测双向定线。

3)单方向的确定  由磁性天线的方向图可知,天线转动一周,测向机将出现两个声音最大处和两个声音最小处,即磁性天线的方向图具有双值性。利用这一点,可以测定电台所处的一条位置线,但判断不出它究竟处在位置线上的哪一边。因此,仅具有双值性的测向机在测向运动中是不能使用的,还必须使测向机具有单值性。磁性天线和直立天线组成的复合天线,就是具有单值性的测向天线。

直立天线在水平平面的方向图是一个圆(如图2-8中所示)。天线转动3600,感应电势e直的大小和极性都不会变化。现设直立天线的电势等于1,并为正值;设磁性天线的电势最的值也等于1,将磁性天线旋转3600时其电势的大小和极性也标注在图2-8中。我们再将任一方向上两天线的电势相加,如在001800方向上,e=1e=0,合成电势(e合)=1;在900方向上,e=1e=1e=2;在2700方向上e=1e=-1e=0,等等。由图可见,上半部分各方向上的两天线电势极性相同,合成电势为两电势之和;下半部各方向上两电势的极性相反,合成电势为两电势之差。总的合成结果是一个实线所示的心脏形方向图。

   从这个方向图看出,磁性天线转动一周时,只有个一方向(即θ=2700)使信号消失;也只有一个方向(即θ=900)信号最强。这样就克服了磁性天线的双值性,获得了单方向性能。我们把信号强的这个面叫做单向大音面,简称大音面。利用大音面就可直接测出电台在哪一边,即定边

心脏形方向图可直接用于测向;但因测向误差大,一般只作单向鉴别用。

2. 八木天线及其工作原理

   八木天线广泛地用于电视接收、中断通信、雷达等。2波段测向也用这种天线。

   八木天线在某种意义上可以说是由半波振子天线演变而来的。人们买到电视机后,如果一时买不来电视天线,常常临时找两根直径为1厘米左右的金属圆管,按图2-9的形状安装在室内或室外,其总长为当地电视发射频道波长的一半,从馈线处将信号引入电视机。这种天线称为半波振子天线,它的方向图如图2-10,与80米测向机用磁性天线的8字形方向图相类似,其最大接收方向为振子轴线垂直方向。用作电视接收,必须使振子轴线垂直电视台方向架设,才能获得最佳效果。这种天线的效率低,只能在距电视台较近和发射功率较强的条件下使用。由于这种天线同磁性天线一样,方向图中有两个大音面,两个哑点,利用其轴线的哑点也可以精确测定电台方向线。但是,它无法确定电台在哪一边,在测向运动中不能直接应用。

   下面介绍几种具有单向特性,可以应用于无线电测向运动的八木天线。

1)具有就反射器或引向器的二元八木天线

这两种天线的结构及方向图如图2-11和图2-12所示。振子1与振子2平行放置,间距为λ/41/4波长)。振子1取半波长,并与接收机连接,称为有源振子。振子2做为反射器时长度略大于半波长,做为引向器时长度略小于半波长;振子2不与接收机相接,称为无源振子。

具有反射器的八木天线,最大接收方向是振子1所在的方向。和仅有单个半波振子的天线相比,它在这一方向上接收电波时获得的天线感应电势增长将近一倍,而在反射器所在方向接收电波后感应电势大大减弱。振子2像是一面镜子,把从振子1方向来的电波反射回振子1方向来的电波反射回振子1上迭加,使电波得到加强;从相反方向来的电波被振子2反射,难以到达振子1。正是因为这个原因,振子2称为反射器。

   具有引向器的八木天线的方向图,其形状与具有反射器的八木天线方向图基本相同,只是方向相差1800,其主瓣在振子2所在方向上。因为振子2好像把电波引向了振子1,故振子2称为引向器。和单个半波振子天线方向图相比,这两种天线都实现了单值性。天线转动一周时,只有一个方向信号最强,而其它方向信号却很弱(反方向有小小的副瓣)。因此,在实际测向中,天线的最大接收方向正对电台,耳机中声音将是最大的;离开这个方向,声音将逐渐变小,(接近转动1800时,耳机中声音将稍稍回升);继续转动测向机的天线,耳机中声音很宽变小又渐渐变大,转至3600时又恢复到00时的状态。这样转动天线一周,只出现一个大音点(或大音面),实现了单向测定电台方向线。

2)具有反射器和引向器的三元天线

仅具有引向器或反射器的天线,体积小、便于运动,但效率和方向性均不够理想。为提高天线效率和获得更为尖锐的方向性,可采用具有一个反射器和一个引向器的天线,这就是三元八木天线。

一个实用的三元天线的外形见图2-13。它的最大接收方向是引向器的引伸方向,其方向性较二元天线已有明显改善。

   为了使天线的饿方向性更好,效率更高,只要增加引向器的树木,安排好各单元振子的尺寸和间距即可。有两个引向器、一个反射器的天线称四元天线,有三个引向器、一个反射器的天线称五元天线。测向运动中,由于天线的体积对运动员快速奔跑影响较大,四元以上天线已很少使用。

近几年来,越来越多的人喜欢使用一种缩短型天线。这种天线的优点是尺寸小(只有两个振子),但增益和方向性均较好,特别是后瓣相当小。目前,国内测向机主要生产单位——男阳无线电一厂生产的2波段测向机,装备的就是这种天线。

2测向机天线体积较大,为便于训练和携带,生产厂家都将各振子制作成可拆卸的。因此,在使用中切记不可将不同尺寸的振子相互颠倒,以免使测向机方向性受到严重破坏。

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