Пространственная селекция сигналов
В. Поляков, г. Москва
Использование антенн, диаграмма направленности которых заметно отличается от круговой, позволяет ослабить помехи от передатчиков, использующих туже частоту, что и нужная вам радиостанция. Эти же антенны дают возможность определить направление на радиостанцию - запеленговать ее, что бывает необходимо для определения либо своего местонахождения, либо местонахождения радиостанции. Эта статья рассказывает о том, как это можно сделать с помощью рамочной антенны.
Определить направление прихода радиоволн можно с помощью пеленгатора - радиоприемного устройства, которое снабжено направленной антенной. Радиопеленгация позволяет решать ряд важных практических задач в основном навигационного характера. Например, если на каком-то подвижном объекте (самолете, корабле и т. д.), местонахождение которого неизвестно, установить приемник-пеленгатор, то, определив с его помощью направление прихода радиоволн от двух-трех известных радиопередатчиков, можно узнать и место, в котором в данный момент находится интересующий нас объект. Как это делается, иллюстрирует рис. 1.
Сначала определяют угол φ1 между направлением меридиана N и направлением прихода радиосигнала от первого передатчика ("Маяк 1"). Затем на навигационной карте через точку, где расположен этот передатчик, проводят линию (пеленг) под углом φ1 к меридиану. Такие же построения проводят и для второго передатчика ("Маяк 2"). Точка пересечения пеленгов будет соответствовать местонахождению подвижного объекта.
Нередко радиопеленгация решает и другие задачи. С помощью расположенных в разных местах приемников-пеленгаторов определяют направление прихода радиосигнала от одного и того же передатчика и, проложив полученные таким образом пеленги на карте, по точке их пересечения находят местонахождение самого передатчика (рис. 2).
Для определения направления прихода радиосигнала раньше других было предложено использовать рамочную антенну. Чтобы разобраться в ее направленных свойствах, вспомним структуру электромагнитной волны, которая иллюстрируется рис. 3. Этот рисунок можно встретить в любом учебнике по радиотехнике.
Электромагнитная волна состоит из электрического Е и магнитного Н полей, колеблющихся с частотой передатчика. Эти поля перпендикулярны друг другу, а поскольку сама волна поперечная, то они перпендикулярны и направлению ее распространения С. Направление вектора электрического поля Е определяет поляризацию волны, которая может быть горизонтальной, вертикальной и произвольной. На длинных и средних волнах земля и особенно море обладают хорошей электропроводностью, поэтому волны с горизонтальной поляризацией у их поверхности (а именно здесь обычно и находится приемник) сильно ослабляются. По этой причине все передатчики, работающие в длинноволновом и средневолновом диапазонах, излучают волны с вертикальной поляризацией, электрическое поле которых у проводящей поверхности всегда ей перпендикулярно.
Рамочная антенна представляет собой плоскую катушку, число витков которой зависит от диапазона, в котором работает антенна. На более коротких волнах она может содержать один или несколько витков, а на более длинных существенно больше. По закону электромагнитной индукции радиоволна, приходящая к рамке, наводит в ней ЭДС, но чтобы это произошло, магнитное поле должно пронизывать витки рамки. Обратимся к рис. 4, где изображен вид сверху на расположенную вертикально рамочную антенну. Если радиоволна проходит вдоль оси рамки (φ=0° или 180°), то ее магнитное поле не пронизывает витки рамки и прием отсутствует. Если же волна перпендикулярна оси рамки (φ=90° или 270°), то наводимый в ее витках сигнал максимален. ЭДС, наводимая в рамке радиоволнами, приходящими под другими углами φ к ее оси, пропорциональна синусу этих углов.
График зависимости наводимой в рамке ЭДС от угла прихода волны называется диаграммой направленности. В полярных координатах она имеет вид двух кругов, соприкасающихся друг с другом в месте расположения рамки (рис.4).
рис.4Пеленгацию с помощью рамочной антенны лучше производить не по максимуму, а по минимуму приема, поскольку последний выражен гораздо острее и пеленгация получается более точной. Диаграмма направленности имеет два минимума, поэтому пеленг определяется неоднозначно. Чаще всего бывает известно, с какой стороны расположен передатчик, а если этих сведений нет, то можно воспользоваться одним из способов получения однонаправленной диаграммы направленности. Например, использовать для приема рамку и всенаправленную штыревую антенну и, складывая сигналы от двух антенн с определенными амплитудами и фазами (амплитуды должны быть равны, а фазы сдвинуты на 90°), скомпенсировать один из максимумов диаграммы направленности рамки, увеличив соответственно другой. В этом случае получится так называемая кардиоидная диаграмма направленности, имеющая один "размытый" максимум и один острый минимум.
Все было бы хорошо, если бы радиоволны приходили к приемнику, распространяясь вдоль поверхности Земли. Но этим путем приходит поверхностная волна, огибающая Землю вследствие дифракции. Дальность ее распространения, как правило, несколько сотен километров. Но ночью на средних и длинных волнах появляется и другая, пространственная волна, обусловленная отражением от ионосферы и распространяющаяся на тысячи километров. Происходит это потому, что верхние слои атмосферы (ионосфера) сильно ионизированы солнечным и космическим излучением и в результате проводят электрический ток и отражают радиоволны. Днем в длинноволновом и средневолновом диапазонах ионосферные волны сильно поглощаются. На коротких волнах поглощение меньше, и ионосферные, пространственные волны приходят в любое время суток. Ионосферная волна приходит к рамке несколько сверху, под углом b к горизонту (рис. 5). Поляризация пространственной волны непредсказуема из-за вращения плоскости поляризации в намагниченной магнитным полем Земли плазме ионосферы.
рис. 5Наличие пространственных волн в точке приема приводит к ошибке при пеленгации, получившей специальное название "ночной" ошибки. Чтобы понять, как она возникает, попытаемся с помощью рис. 6 построить объемную диаграмму направленности рамочной антенны.
рис. 6Если вертикально поляризованная волна 1 приходит с горизонтального направления под углом φ=90° и β=0°, то прием максимален. Если увеличивать угол β (волна 2 на рис. 5), сила сигнала не изменится, поскольку вектор магнитного поля волны Н по-прежнему останется параллелен оси рамки, а само магнитное поле будет пронизывать ее витки. Прием окажется максимальным даже в том случае, когда волна будет падать отвесно вниз, при условии, что вектор Н параллелен оси рамки. Эти рассуждения позволяют нарисовать объемную диаграмму направленности рамки в виде тороида ("бублика"), надетого на ось рамки. Естественно, что над поверхностью Земли будет возвышаться только половина этого тороида, как и показано на рис. 6. Такая диаграмма приводится во многих учебниках по антеннам. Диаграмма имеет горизонтальную ось минимального приема, совпадающую с осью рамки.
Картина изменяется для волны 3, направление прихода которой совпадает с осью рамки. Такая волна не наведет в ней ЭДС, поскольку вектор Н перпендикулярен оси рамки и магнитное поле не пронизывает ее витки. При увеличении угла β, т. е. угла прихода волны, вектор Н останется в плоскости рамки и будет перпендикулярен ее оси. Прием в этом случае по-прежнему будет отсутствовать! Теперь получается уже не ось, а вертикальная плоскость минимального приема, причем ось рамки лежит в этой плоскости. Объемная диаграмма направленности принимает вид двух полушарий, лежащих по обе стороны от рамки. Но как же быть с отвесно падающей волной - ведь в предыдущем примере она принималась, а теперь нет? - спросит читатель. Правильно, отвесная падающая волна принимается, если ее вектор Н параллелен оси рамки, и не принимается, если он ей перпендикулярен.
Таким образом, рамка чувствительна к поляризации приходящих пространственных волн. Непредсказуемая их поляризация приводит к "размыванию" минимумов диаграммы направленности и к довольно значительным ошибкам пеленга.
Рамочные антенны малогабаритны, просты по конструкции и обладают рядом других достоинств. Поскольку полное сопротивление катушки рамки носит индуктивный характер, ее можно настроить в резонанс с колебаниями принимаемого сигнала простым подключением конденсатора переменной емкости.
Получившийся колебательный контур, во-первых, увеличивает амплитуду принятого сигнала и, во-вторых, подавляет сигналы ненужных станций, работающих на других частотах, т. е. увеличивает селективность приемника. Другое достоинство рамки в том, что она реагирует на магнитную составляющую поля, в то время как ближнее поле помех от сетей промышленной частоты содержит чаще всего преобладающую электрическую составляющую. Таким образом, прием на магнитную рамочную антенну в городских условиях получается, как правило, более помехоустойчивым, чем на электрические, дипольные и проволочные антенны. В сельской местности такой разницы нет. И еще: магнитная компонента радиоволны проникает внутрь зданий хоть ненамного, на доли длины волны, но все-таки глубже, чем электрическая. Поэтому комнатные антенны лучше делать магнитными.
Направленные свойства рамки позволяют во многих случаях устранить или ослабить помехи, если источник помех локализован и радиоволны помех приходят с одного конкретного направления. Ось минимального приема рамки в этом случае надо направить на источник помех. Полезный сигнал при этом, возможно, тоже будет ослаблен, поскольку направление его прихода уже не будет соответствовать максимуму диаграммы направленности, тем не менее соотношение сигнал/помеха может значительно улучшиться. Чтобы убедиться в этом практически, включите портативный приемник с ферритовой магнитной антенной (ее свойства подобны свойствам рамки). Затем расположите приемник неподалеку от работающего телевизора или компьютера (источники значительных помех) и попробуйте, вертя приемник в руках, изменять ориентацию магнитной антенны. В некоторых её положениях помехи будут значительно ослаблены.
Радио 5/99, с.20-21