Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Zivile Funkkommunikation

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Die Verwendung von Antennen mit einem Strahlungsmuster, das sich deutlich vom kreisförmigen unterscheidet, kann dazu beitragen, Störungen durch Sender zu reduzieren, die dieselbe Frequenz wie der gewünschte Radiosender verwenden. Dieselben Antennen ermöglichen es, die Richtung zu einem Radiosender zu bestimmen – seine Richtung zu finden, was manchmal notwendig ist, um entweder Ihren Standort oder den Standort des Radiosenders zu bestimmen.

Dieser Artikel beschreibt, wie dies mit einer Rahmenantenne erreicht werden kann.

Sie können die Ankunftsrichtung von Funkwellen mit einem Peiler bestimmen – einem Funkempfangsgerät, das mit einer Richtantenne ausgestattet ist. Mit der Funkpeilung können Sie eine Reihe wichtiger praktischer Probleme lösen, vor allem Navigationsprobleme. Wenn Sie beispielsweise einen Peilempfänger an einem sich bewegenden Objekt (Flugzeug, Schiff usw.) installieren, dessen Standort unbekannt ist, können Sie damit die Ankunftsrichtung von Funkwellen von zwei oder drei bekannten Funksendern bestimmen können Sie herausfinden, an welchem ​​Standort sich das für uns interessante Objekt aktuell befindet. Wie das geht, ist in Abb. dargestellt. 1.

Zunächst wird der Winkel f1 zwischen der Richtung des Meridians N und der Einfallsrichtung des Funksignals vom ersten Sender („Mayak 1“) bestimmt. Dann wird auf der Navigationskarte eine Linie (Peilung) durch den Punkt gezogen, an dem sich dieser Sender befindet, in einem Winkel f1 zum Meridian. Die gleichen Konstruktionen werden für den zweiten Sender („Mayak 2“) durchgeführt. Der Schnittpunkt der Peilungen entspricht der Position des sich bewegenden Objekts.

Oftmals löst die Funkpeilung andere Probleme. Mit Hilfe von Peilempfängern, die sich an verschiedenen Orten befinden, wird die Ankunftsrichtung eines Funksignals desselben Senders bestimmt und durch Einzeichnen der so erhaltenen Peilungen auf der Karte der Standort des Senders selbst ermittelt Punkt ihres Schnittpunkts (Abb. 2).

Um die Ankunftsrichtung eines Funksignals zu bestimmen, wurde vorgeschlagen, vor allem eine Rahmenantenne zu verwenden. Um ihre Richtungseigenschaften zu verstehen, erinnern wir uns an die Struktur einer elektromagnetischen Welle, die in Abb. dargestellt ist. 3. Diese Zeichnung ist in jedem Lehrbuch der Funktechnik zu finden.

Eine elektromagnetische Welle besteht aus elektrischen E- und magnetischen H-Feldern, die mit der Frequenz des Senders schwingen. Diese Felder stehen senkrecht zueinander, und da die Welle selbst transversal ist, stehen sie auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung C. Die Richtung des elektrischen Feldvektors E bestimmt die Polarisation der Welle, die horizontal, vertikal und horizontal sein kann willkürlich. Bei Lang- und Mittelwellen haben die Erde und insbesondere das Meer eine gute elektrische Leitfähigkeit, sodass Wellen mit horizontaler Polarisation an ihrer Oberfläche (wo sich normalerweise der Empfänger befindet) stark gedämpft werden. Aus diesem Grund senden alle im Langwellen- und Mittelwellenbereich arbeitenden Sender Wellen mit vertikaler Polarisation aus, deren elektrisches Feld an der leitenden Oberfläche immer senkrecht dazu steht.

Eine Rahmenantenne ist eine flache Spule, deren Windungszahl von der Reichweite abhängt, in der die Antenne betrieben wird. Bei kürzeren Wellen kann es eine oder mehrere Windungen enthalten, bei längeren Wellen kann es deutlich mehr Windungen enthalten. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion induziert eine am Rahmen ankommende Funkwelle darin eine EMF. Dazu muss das Magnetfeld jedoch die Windungen des Rahmens durchdringen. Schauen wir uns Abb. an. 4 zeigt eine Draufsicht einer vertikalen Rahmenantenne. Wenn eine Funkwelle entlang der Achse des Rahmens verläuft (f=0° oder 180°), dann durchdringt ihr Magnetfeld die Spulen des Rahmens nicht und es findet kein Empfang statt. Wenn die Welle senkrecht zur Rahmenachse verläuft (f=90° oder 270°), ist das in ihren Windungen induzierte Signal maximal. Die EMK, die im Rahmen durch Funkwellen induziert wird, die in anderen Winkeln f zu seiner Achse eintreffen, ist proportional zum Sinus dieser Winkel.

Der Graph der Abhängigkeit der im Rahmen induzierten EMF vom Einfallswinkel der Welle wird als Strahlungsmuster bezeichnet. In Polarkoordinaten sieht es so aus, als würden sich zwei Kreise an der Stelle des Rahmens berühren (Abb. 4).

Es ist besser, die Peilung mit einer Rahmenantenne nicht bei maximalem, sondern bei minimalem Empfang durchzuführen, da dieser deutlich ausgeprägter ist und die Peilung genauer ist. Das Strahlungsmuster hat zwei Minima, sodass die Peilung nicht eindeutig bestimmt ist. Meistens ist bekannt, auf welcher Seite sich der Sender befindet. Wenn diese Informationen nicht verfügbar sind, können Sie eine der Methoden verwenden, um ein unidirektionales Strahlungsmuster zu erhalten. Verwenden Sie zum Empfang beispielsweise einen Rahmen und eine omnidirektionale Peitschenantenne und kompensieren Sie durch die Addition von Signalen zweier Antennen mit bestimmten Amplituden und Phasen (die Amplituden müssen gleich und die Phasen um 90° verschoben sein) eines der Maxima des Rahmens Strahlungsmuster und erhöht das andere entsprechend. In diesem Fall erhält man ein sogenanntes kardioides Strahlungsmuster, das ein „unscharfes“ Maximum und ein scharfes Minimum aufweist.

Alles wäre in Ordnung, wenn Radiowellen den Empfänger erreichen und sich entlang der Erdoberfläche ausbreiten würden. Aber auf diesem Weg entsteht eine Oberflächenwelle, die aufgrund der Beugung um die Erde herumläuft. Sein Verbreitungsgebiet beträgt meist mehrere hundert Kilometer. Aber nachts, bei mittleren und langen Wellen, erscheint eine weitere räumliche Welle, die durch Reflexion von der Ionosphäre verursacht wird und sich über Tausende von Kilometern ausbreitet. Dies geschieht, weil die oberen Schichten der Atmosphäre (Ionosphäre) durch Sonnen- und kosmische Strahlung stark ionisiert sind und dadurch elektrischen Strom leiten und Radiowellen reflektieren. Tagsüber werden ionosphärische Wellen im Lang- und Mittelwellenbereich stark absorbiert. Bei kurzen Wellen ist die Absorption geringer und ionosphärische räumliche Wellen treten zu jeder Tageszeit auf. Die ionosphärische Welle erreicht das Bild leicht von oben, in einem Winkel b zum Horizont (Abb. 5).

Die Polarisation der Himmelswelle ist aufgrund der Drehung der Polarisationsebene im ionosphärischen Plasma, das durch das Erdmagnetfeld magnetisiert wird, unvorhersehbar.

Das Vorhandensein von Raumwellen am Empfangspunkt führt zu einem Peilfehler, der speziell als „Nachtfehler“ bezeichnet wird. Um zu verstehen, wie es entsteht, versuchen wir es mit Abb. 6 Konstruieren Sie ein dreidimensionales Strahlungsmuster der Rahmenantenne. Wenn eine vertikal polarisierte Welle 1 aus horizontaler Richtung unter einem Winkel f=90° und b=0° kommt, ist der Empfang maximal. Wenn Sie den Winkel b vergrößern (Welle 2 in Abb. 7), ändert sich die Signalstärke nicht, da der Magnetfeldvektor der Welle H weiterhin parallel zur Rahmenachse bleibt und das Magnetfeld selbst ihre Windungen durchdringt . Der Empfang ist auch dann maximal, wenn die Welle vertikal einfällt, vorausgesetzt, dass der Vektor H parallel zur Achse des Rahmens verläuft. Diese Überlegungen ermöglichen es, ein dreidimensionales Strahlungsmuster des Rahmens in Form eines auf der Achse des Rahmens platzierten Toroids („Donuts“) zu zeichnen. Natürlich wird nur die Hälfte dieses Toroids über die Erdoberfläche hinausragen, wie in Abb. 6. Ein solches Diagramm ist in vielen Lehrbüchern über Antennen enthalten. Das Diagramm hat eine horizontale Achse des minimalen Empfangs, die mit der Achse des Rahmens zusammenfällt.

Das Bild ändert sich für Welle 3, deren Einfallsrichtung mit der Achse des Rahmens übereinstimmt. Eine solche Welle induziert darin keine EMF, da der Vektor H senkrecht zur Achse des Rahmens steht und das Magnetfeld seine Windungen nicht durchdringt. Wenn der Winkel b zunimmt, d. h. der Einfallswinkel der Welle, bleibt der Vektor H in der Ebene des Rahmens und steht senkrecht zu seiner Achse. In diesem Fall ist weiterhin kein Empfang möglich! Jetzt ist es keine Achse mehr, sondern eine vertikale Ebene minimaler Aufnahme, und in dieser Ebene liegt die Achse des Rahmens. Das volumetrische Strahlungsmuster hat die Form zweier Halbkugeln, die auf beiden Seiten des Rahmens liegen. Aber was ist mit einer vertikal fallenden Welle – schließlich wurde sie im vorherigen Beispiel akzeptiert, jetzt aber nicht? - wird der Leser fragen. Korrekterweise wird eine vertikal einfallende Welle akzeptiert, wenn ihr Vektor H parallel zur Achse des Rahmens verläuft, und nicht akzeptiert, wenn er senkrecht dazu verläuft.

Somit reagiert der Rahmen empfindlich auf die Polarisation eingehender räumlicher Wellen. Ihre unvorhersehbare Polarisation führt zu einer „Verwischung“ der Minima des Strahlungsmusters und zu erheblichen Peilungsfehlern.

Rahmenantennen sind klein, einfach im Design und bieten eine Reihe weiterer Vorteile. Da die Impedanz der Rahmenspule induktiv ist, kann sie einfach durch Anschließen eines variablen Kondensators so abgestimmt werden, dass sie mit den Schwingungen des empfangenen Signals in Resonanz steht. Der resultierende Schwingkreis erhöht zum einen die Amplitude des empfangenen Signals und zum anderen unterdrückt er Signale von unnötigen Stationen, die auf anderen Frequenzen arbeiten, d. h. er erhöht die Selektivität des Empfängers. Ein weiterer Vorteil des Rahmens besteht darin, dass er auf die magnetische Komponente des Feldes reagiert, während das Nahfeld der Störungen von Netzfrequenznetzen meist eine überwiegende elektrische Komponente enthält. Daher ist der Empfang mit einer magnetischen Rahmenantenne unter städtischen Bedingungen in der Regel störsicherer als mit Elektro-, Dipol- und Drahtantennen. In ländlichen Gebieten gibt es keinen solchen Unterschied. Und noch etwas: Der magnetische Anteil einer Funkwelle dringt in das Innere von Gebäuden ein, zumindest geringfügig, um Bruchteile einer Wellenlänge, aber immer noch tiefer als der elektrische Anteil. Daher ist es besser, Zimmerantennen magnetisch zu machen.

Die Richtungseigenschaften des Rahmens ermöglichen es in vielen Fällen, Störungen zu beseitigen oder zu reduzieren, wenn die Störquelle lokalisiert ist und die Funkwellen der Störung aus einer bestimmten Richtung kommen. In diesem Fall muss die Achse des minimalen Frameempfangs auf die Störquelle gerichtet sein. In diesem Fall kann es auch zu einer Schwächung des Nutzsignals kommen, da die Einfallsrichtung nicht mehr dem Maximum des Strahlungsmusters entspricht, das Signal-Interferenz-Verhältnis kann sich jedoch deutlich verbessern. Um dies praktisch zu überprüfen, schalten Sie einen tragbaren Empfänger mit einer Ferrit-Magnetantenne ein (ihre Eigenschaften ähneln denen eines Rahmens). Platzieren Sie dann den Empfänger in der Nähe eines funktionierenden Fernsehers oder Computers (Quellen erheblicher Störungen) und versuchen Sie, den Empfänger in Ihren Händen zu drehen und so die Ausrichtung der magnetischen Antenne zu ändern. In einigen seiner Positionen werden Störungen erheblich reduziert.

Autor: V.Polyakov, Moskau

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