無線電測向原理.docx

無線電測向原理無線電波在均勻介質(zhì) (如空氣)中，具有直線傳播的特點。只要測出電波傳播的方向，就可以確定出信號源（發(fā)射臺）所在方向。無線電測向是指通過無線電測向機測定發(fā)射臺（或接收臺）方位的過程，但是無線電測向運動中，要快速尋找隱蔽巧妙的信號源，必須掌握無線電波的傳播規(guī)律。一、無線電波的發(fā)射與傳播無線電波既看不見，也摸不著，卻充滿了整個空間。廣播、移動通訊、電視等，已經(jīng)是現(xiàn)代社會生活必不可少的一部分。無線電波屬于電磁波中頻率較低的一種，它可直接在空間輻射傳播。無線電波的頻率范圍很寬，頻段不同，特性也不盡相同。我國目前開展的無線電測向運動涉及三個頻段:頻率為1.82兆赫的中波波段，波長為150166.6米，稱160米波段測向；頻率為3.53.6兆赫的短波波段，波長為83.385.7米，稱80米波段測向；頻率為144146兆赫的超短波段，波長為2.082.055米，稱2米波段測向。（一）無線電波的發(fā)射過程無線電波是通過天線發(fā)射到空間的。當(dāng)電流在天線中流動時，天線周圍的空間不但產(chǎn)生電力線 (即電場)，同時還產(chǎn)生磁力線。其相互間的關(guān)系，如圖2-1-1所示。如果天線中電流改變方向，空間的電力線和磁力線方向隨之改變。如果加在天線上的是高頻交流電，由于電流的方向變化極快，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，在這些交替變化的電場和磁場的外層空間，又激起新的電磁場，不斷地向外擴散，天線中的高頻電能以變化的電磁場的形式，傳向四面八方，這就是無線電波。從圖2-l可知，電力線 (即電場)方向與天線基本平行，磁力線 (磁場)的形狀則是以天線為圓心，與天線相垂直的方向隨之變化的無數(shù)同心圓。圖2-1-1 無線電波的發(fā)射（二）無線電波的特性l.無線電波的極化交變電磁場在其附近空間又激起新的電磁場的現(xiàn)象稱無線電波的極化?？臻g傳播的無線電波都是極化波。當(dāng)天線垂直于地平面時，天線輻射的無線電波的電場垂直于地平面稱垂直極化波。天線平行于地平面時，天線輻射的無線電波的電場平行于地面稱水平極化波。無線電測向競賽規(guī)則規(guī)定，160米波段和80米波段測向使用垂直極化波，2米波段測向使用水平極化波。2.電場、磁場與電波傳播方向之間的關(guān)系天線輻射的無線電波，電場方向與天線平行，磁場方向與天線垂直，電場與磁場相互垂直，又都垂直于電波傳播的方向，并且電場和磁場同時出現(xiàn)最大值和最小值 (即相位)相同。3.頻率和波長的關(guān)系如果將空間視為均勻介質(zhì)，無線電波在其中沿直線勻速傳播，其速度與光速相同。波長 (入)與頻率 (f)成反比，其關(guān)系式為:入=V/f 其中:入無線電波波長 (米)；V無線電波傳播速度；F無線電波頻率 (赫茲)二、無線電波的傳播無線電波在空間的傳播情況十分復(fù)雜，既在媒介中傳播，也沿各種媒介的交界面(如地面)傳播。在傳播中，由于頻率不同、介質(zhì)不同、途徑不同，其規(guī)律及產(chǎn)生的現(xiàn)象不盡相同。無線電波的傳播，按傳播途徑，大致可分為地波、天波、直接波、地面反射波四種 (見圖2-1-2)。沿地球表面?zhèn)鞑サ臒o線電波稱地波；由電離層反射傳播的無線電波叫天波，也稱電離層反射波；從發(fā)射天線出發(fā)直接到達接收天線的無線電波叫直接波，也稱直射波；從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地面反射后到達接收天線的無線電波，稱地面反射波。圖2-1-2 無線電波的傳播方式（一）地波傳播無線電波沿地球表面?zhèn)鞑ビ欣@過突起障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱繞射。繞射能力的強弱取決于無線電波頻率的高低或波長的長短及障礙物的大小。頻率越低繞射能力越強；障礙物越大繞射越困難。因此，160米波段繞射能力最強，80米波段繞射能力較強，除陡峭山峰對電波的傳播影響較大外，一般的丘陵均可逾越，2米波段電波的繞射能力很弱。由于地面情況穩(wěn)定，地波在傳播過程中又不與高空的電離層接觸，通訊質(zhì)量高而可靠，故被廣泛應(yīng)用于中波廣播和通訊中，160米波段測向和80米波段測向，均采用地波。（二）天波傳播光的傳播會產(chǎn)生反射和折射，無線電波遇到不同的介質(zhì)，同樣也具備這種特性。早在1901年，英、美兩國的業(yè)余無線電愛好者利用短波波段突然溝通了聯(lián)絡(luò)感到十分驚奇，因為在這之前已經(jīng)證明了，采用地波傳播的無線電波是無法跨越大西洋的。這一重大發(fā)現(xiàn)得到當(dāng)時整個無線電界的重視，后來終于發(fā)現(xiàn)，在離地面602000公里的高空，存在著電離層，此空間的氣體，在太陽紫外線、太陽表面噴射出來的微粒流及其它射線的作用下，使原子中的電子離開氣體原子而游離到空間，形成自由電子和正離子，這就是電離現(xiàn)象，產(chǎn)生大氣電離的區(qū)域叫電離層。短波波段的無線電波遇到電離層會產(chǎn)生反射 (或折射)回到地面，才實現(xiàn)了數(shù)千公里以至上萬公里的無線電通訊。實踐還證明，超短波傳至電離層時，不被反射而是穿過電離層向外層空間傳播。由于電離層不夠穩(wěn)定，致使天波通訊的質(zhì)量較差，但它具有用不大的功率和較簡單的設(shè)備來完成遠距離通訊的突出優(yōu)點。由于無線電測向運動的距離僅為數(shù)百米至數(shù)公里，不采用天波傳播方式。（三）超短波傳播30兆赫以上的無線電波稱超短波 (包括微波)。由于地球表面存在一定弧度，直線傳播的視線距離取決于發(fā)射天線的架設(shè)高度和接收天線的架設(shè)高度。當(dāng)然實際的通訊距離還要由發(fā)射功率、接收機靈敏度和地面起伏情況等因素來確定。2米波段測向?qū)俪滩▊鞑?，主要使用直射波和地面反射波，故一些高山、峭壁、高大建筑及其它地面物體，對超短波的傳播產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致信號強度明顯減弱或測向誤差明顯增大。三、天線天線是一個能量轉(zhuǎn)換器，可將發(fā)射機饋給的高頻電能轉(zhuǎn)換為向空間輻射的電磁能，也可將空間傳播的電磁能轉(zhuǎn)換為高頻電能輸送到接收機，前者稱為發(fā)射天線，后者稱為接收天線。發(fā)射天線和接收天線的主要參數(shù)和特性都是相同。例如，某根天線用作發(fā)射天線時，它向某一方向輻射的無線電波最強，而當(dāng)用作接收天線時，同樣也是對這個方向來的天線電波接收最強，說明發(fā)射天線和接收天線具有可逆性。（一）天線的方向性天線的方向性是指天線向一定方向輻射或者接收來自某一方向無線電波的能力。某一天線向空間輻射無線電波時，并不是向任何一個方同輻射的強度都一樣。不同的天線向各方向輻射的場強也不同，說明天線發(fā)射無線電波具有方向性。為了表達天線的方向性，在離天線等距離的地方，不同的方向上測量天線輻射電波的電場強度，并將其值按比例標(biāo)在以方向為坐標(biāo) (極坐標(biāo))的圖上，得到了天線的方向圖。在繪制方向圖時，一般是以最大輻射方向的場強作為l，其它方向的數(shù)值，是該方向場強與最大場強的比值。方向圖只表征天線的方向特性，并不表示某一點的具體場強數(shù)值，即與發(fā)射功率無關(guān)。一個平面只能表示出天線在一個平面的方向圖。天線在空間的方向性，通常要用兩個平面來表示。對架設(shè)在地面上的天線來說，采用的是水平平面方向圖(與大地平行)和垂直平面方向圖 (與大地垂直)。與測向運動結(jié)合較緊密的是水平平面方向圖。（二）常見的天線l.直立天線直立天線是指與地面垂直的天線。它分對稱和不對稱兩種，其形狀如圖2-1-3所示。對稱直立天線采用中心饋電。不對稱直立天線則在天線與地之間饋電，將對稱直立天線的一個臂接地，也稱垂直接地天線。一般所指直立天線，通常指不對稱直立天線，它是最常用的地波天線。它的最大輻射方向集中于地面，它在水平平面輻射強度相同（圖2-1-4）。直立天線結(jié)構(gòu)簡單，容易架設(shè)，在長波、中波、短波和米波等很寬的頻率范圍內(nèi)，均可使用。將導(dǎo)線按實際情況，基本垂直于地面架設(shè)時，稱軟天線。160米和80米波段發(fā)信機多采用這種天線。它的優(yōu)點是天線長，發(fā)射效率高，可按實際環(huán)境靈活架設(shè)，便于隱蔽。圖2-1-3 直立天線圖2-1-4 直立天線方向圖2.環(huán)形天線將導(dǎo)線繞成環(huán)形、框形、菱形等形狀，并在兩端饋電的天線稱環(huán)形天線（圖2-1-5）。該天線尺寸很小，輻射效率低，通常只作接收用，并用于長波、中波和短波波段的測向，在測向運動發(fā)展的初期，被廣泛應(yīng)用在80米波段測向機上。圖2-1-5 環(huán)形天線3.磁性天線將線圈繞在鐵氧體制成的磁棒上稱磁性天線（圖2-1-6）。磁棒具有非常優(yōu)良的導(dǎo)磁作用，使很小體積的天線可獲得較高的效率。在半導(dǎo)體收音機問世之后，磁性天線廣泛用于便攜式收音機中，160米和80米波段測向機也多采用這種天線。圖2-1-6 磁性天線4.八木天線隨著電視廣播的日益普及，室外架設(shè)的電視接收天線八木天線 (或稱波渠天線)己逐漸被人們所熟悉 (見圖2-1-7)。它制作簡單，架設(shè)容易，也是目前2米波段測向較為理想的測向機天線。八木天線是由一個有源半波振子 (直線振子或折合振子)和一個或若干個無源振子 (反射器和引向器)組成。有源半波振子是指經(jīng)饋線與發(fā)射機或接收機連接的振子。無源振子有一個是反射器 (其臂長稍長于半波振子)，其余都是引向器(其臂長稍短于半波振子)。天線的最大接收方向是引向器所指方向，弓向器數(shù)目越多，方向越尖銳。圖2-1-7 八木天線（三）、磁性天線的工作原理小型晶體管收音機收聽中波廣播時，會出現(xiàn)收音機在某個方向時聲音小，轉(zhuǎn)動一個角度后，聲音卻變大的現(xiàn)象，其原因是收音機采用了具有方向性的天線磁性天線。測向時，運動員借助測向機的磁性天線 (或環(huán)形天線)以及與之相配合的直立天線來確定電臺的方向。磁性天線平行于地面放置，并接收垂直極化波；電波從左向右傳播，其磁場方向（圖中虛線所示）必定垂直于電波傳播方向并與地面平行；磁棒軸線與電波傳播方向的夾角為。則磁性天線的輸出感應(yīng)電勢E磁隨的變化而變化。當(dāng)磁棒軸線對準(zhǔn)電臺，磁棒軸線與電波傳播方向平行（=0、=180），磁場方向與磁棒軸線垂直，即磁力線與天線線圈截面平行，磁力線無法順著磁棒穿過線圈，線圈中沒有變化的磁力線，線圈感應(yīng)電勢為零，即e磁=0。耳機聲音最小，甚至完全沒有聲音，此時磁性天線正對著電臺的那個面，稱小音面或小音點、啞點；當(dāng)磁棒軸線與電臺的面成一定的角度，磁場方向也與磁棒成一定的角度，會有部分磁力線穿過線圈，線圈中有一定感應(yīng)電勢輸出，即e磁為某一定值，耳機聲音不是最小，音量會隨著角度的變化而變化。因此在測向過程中，只要旋轉(zhuǎn)測向機的磁性天線，找出“啞點”（或小音點），發(fā)射臺一定位于磁棒軸線所指的直線上，利用磁性天線可確定電臺所在的直線，但不能確定在直線的哪一邊，需要測“雙向”確定電臺的方位。l.磁性天線的結(jié)構(gòu)測向用的磁性天線由磁棒、繞在磁棒上的天線線圈、引線及屏蔽等組成。如圖2-1-8所示。磁棒由軟磁鐵氧體材料制成。具有較高的導(dǎo)磁率和電阻率。在高頻磁場中損耗較少。磁棒的截面有扁形和圓形兩種。扁形的占用空間小，多用于小型收音機中；圓形的機械強度高，測向天線一般都選用直徑為lOmm，長度為l0012Omm的磁棒。圖2-1-8 磁性天線結(jié)構(gòu)示意圖2.磁性天線的工作原理 (雙向測定)磁性天線的方向性，可利用磁棒聚集磁力線的特點來理解，圖2-1-9 (俯視圖)所示。設(shè)磁性天線平行于地面放置，并接收垂直極化波；電波從左向右傳播，其磁場方向(圖中虛線所示)必定垂直于電波傳播方向并與地面平行；磁棒軸線與電波傳播方向的夾角為。則磁性天線的輸出感應(yīng)電勢e磁隨的變化而變化。當(dāng)磁棒軸線與電波傳播方向平行 (=0、=180)時，磁場方向與磁棒軸線垂直，即磁力線與天線線圈截面平行，磁力線無法順著磁棒穿過線圈，線圈中沒有變化的磁力線，線圈感應(yīng)電勢為零，即e磁=0。當(dāng)磁棒軸線與電波傳播方向垂直（=90、=270)時，磁場方向與磁棒軸線平行，即磁力線與磁性天線線圈截面垂直，磁力線可順著磁棒通過，磁棒聚集了最多的磁力線穿過線圈，線圈中的感應(yīng)電勢最大，即e磁=e磁最大。當(dāng)磁棒軸線與電波傳播方問成其它某一角度，磁場方向也與磁棒成某一角度，會有部分磁力線穿過線圈，線圈中有一定感應(yīng)電勢輸出，即e磁為某一定值。越接近于0或180，e磁越小；越接近于90或270，e磁愈大。e磁隨的變化而變化，形成圖29所示的8字形，這是磁性天線的方向圖。當(dāng)其它條件不變的情況下，磁性天線旋轉(zhuǎn)180，輸出電勢改變極性。如果設(shè)在0180范圍內(nèi)的輸出電勢為正值，那從1802700范圍內(nèi)的輸出電勢為負(fù)值。因此，測向機的聲音大小會隨磁性天線輸出電勢的大小而變化，但對極性的變化無法分辨。當(dāng)磁棒軸線對準(zhǔn)電臺(即圖2-1-10中的0和180的兩個方向)時，耳機聲音是小，甚至完全沒有聲音，此時磁性天線正對著電臺的那個面，稱小音面或小音點、啞點；當(dāng)磁棒軸線的垂直方向?qū)?zhǔn)電臺(即圖2-1-10中的90和270兩個方向)時，耳機聲音最大，此時磁性天線正對著電臺的那個面，稱大音面或大音點。因此在測向過程中，只要旋轉(zhuǎn)測向機的磁性天線，找出啞點(或小音點)，發(fā)射臺一定位于磁棒軸線所指的直線上；或找出大音面，發(fā)射臺必定位于與磁棒軸線相垂直的方向上。圖2-1-9 磁性天線與電波傳播傳播 圖2-1-10 磁性天線方向圖（俯視圖）方向的關(guān)系（俯視圖） 3.單方向的測定由磁性天線的方向圖可知，天線旋轉(zhuǎn)一周，測向機將出現(xiàn)兩個聲音最大處和兩個聲音最小處。盡管天線轉(zhuǎn)動180度后電勢的極性有了變化，但這種變化在聽覺上是不能辨別。磁性天線的方向圖具有雙值性，它可測定發(fā)射臺所處的一條位置線，但不能判斷它處在位置線的哪一邊。測定具體位置，可在這條直線以外的點，再測出該電臺的另一條位置線，使兩條位置線在地圖上相交，其交點為即為發(fā)射臺的位置，但是具有雙值性的測向機在測向運動中是不能用