信号の空間選択。スキーム、説明

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信号の空間選択。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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著しく非円形の放射パターンを持つアンテナを使用すると、使用する無線と同じ周波数を使用する送信機からの干渉が軽減されます。同じアンテナを使用すると、ラジオ局への方向を決定することができます。つまり、ラジオ局を見つけることは、自分の位置またはラジオ局の位置を決定するために必要です。

この記事では、ループアンテナを使用してこれを行う方法について説明します。

方向探知機（指向性アンテナを備えた無線受信機）を使用して、電波の到来方向を決定できます。無線方向探知により、主にナビゲーションの性質を持つ多くの重要な実際的な問題を解決できます。たとえば、位置が不明な移動物体 (飛行機、船など) に方向探知受信機を設置した場合、その助けを借りて 1 つまたは XNUMX つの既知の無線送信機からの電波の到来方向を決定した後、関心のあるオブジェクトが現在位置している場所を調べることもできます。これがどのように行われるかを図に示します。 XNUMX.

信号の空間的選択

まず、子午線 N の方向と最初の送信機 (「Mayak 1」) からの無線信号の到来方向との間の角度 f1 を決定します。次に、この送信機が配置されている地点を通るナビゲーション地図上に、子午線に対して角度 f1 で線 (方位) が引かれます。 2 番目の送信機 (「Mayak XNUMX」) についても同じ構成が実行されます。ベアリングの交点は、移動オブジェクトの位置に対応します。

多くの場合、無線方向探知によって他の問題が解決されます。さまざまな場所にある方向探知機の助けを借りて、同じ送信機からの無線信号の到来方向が決定され、このようにして得られた方位を地図上にプロットすると、その地点で送信機自体の位置がわかります。それらの交差点の位置を示します (図 2)。

信号の空間的選択

無線信号の到来方向を決定するために、ループアンテナを使用することが他よりも早く提案されました。その方向特性を理解するために、図に示されている電磁波の構造を思い出してください。 3. この図は、無線工学に関するどの教科書にも記載されています。

信号の空間的選択

電磁波は、送信機の周波数で振動する電場と磁場で構成されます。これらの電場は互いに垂直であり、波自体が横方向であるため、その伝播方向 C にも垂直です。電場ベクトル E の方向によって波の偏光が決まり、水平、垂直、および偏光が可能です。任意。長波長および中波長では、地球、特に海は良好な導電率を持っているため、地表近く (通常、受信機が設置されている場所) の水平偏波を持つ波は大きく減衰します。このため、長波および中波範囲で動作するすべての送信機は垂直偏波を放射し、その電界は常に導電面に対して垂直になります。

ループアンテナはフラットコイルであり、その巻き数はアンテナが動作する範囲によって異なります。より短い波長では、4 つまたは複数のターンが含まれる場合があり、より長い波長では、それははるかに大きくなります。電磁誘導の法則によれば、フレームに到達した電波はフレーム内に起電力を誘導しますが、これが起こるためには磁場がフレームのコイルを貫通する必要があります。図に移りましょう。図４は、垂直ループアンテナの上面図を示す。電波がフレームの軸 (f=0° または 180°) に沿って通過する場合、その磁場はフレームのコイルを貫通せず、受信は行われません。波がフレームの軸に対して垂直である場合 (f=90° または 270°)、その回転時に誘導される信号は最大になります。フレームの軸に対して他の角度 f で到達する電波によってフレーム内に誘導される EMF は、これらの角度の正弦に比例します。

フレーム内に誘導される EMF の波の到来角度への依存性を示すグラフは、放射パターンと呼ばれます。極座標では、フレームの位置で互いに接触する 4 つの円の形になります (図 XNUMX)。

信号の空間的選択

ループアンテナを使用した方向探知は、最大受信ではなく最小受信で行うのが最適です。これは、後者の方がはるかに顕著であり、方向探知がより正確であるためです。放射パターンには 90 つの極小値があるため、方位は曖昧に決定されます。ほとんどの場合、送信機がどちら側に配置されているかはわかっており、この情報が入手できない場合は、いずれかの方法を使用して単方向放射パターンを取得できます。たとえば、受信にフレームと全方向性ホイップアンテナを使用し、特定の振幅と位相 (振幅は等しくなければならず、位相は XNUMX ° シフトする) を持つ XNUMX つのアンテナからの信号を加算することにより、次の最大値の XNUMX つを補償します。フレーム放射パターンを調整し、それに応じてもう一方を増加させます。この場合、XNUMX つの「ぼやけた」最大値と XNUMX つの鋭い最小値を持つ、いわゆるカーディオイド放射パターンが得られます。

電波が受信機に届き、地表に沿って伝播すれば問題はありません。しかし、このようにして表面波が到来し、回折によって地球を包み込みます。その伝播範囲は、通常、数百キロメートルです。しかし、夜間の中波および長波では、電離層からの反射によって数千キロメートルにわたって伝播する別の空間波が現れます。これは、大気の上層 (電離層) が太陽と宇宙放射線によって強く電離され、その結果、電流が流れ、電波が反射されるために起こります。日中は長波帯や中波帯では電離層波が強く吸収されます。短波長では吸収が少なく、電離層の空波が一日中いつでも届きます。電離層波は、地平線に対して角度 b で、やや上からフレームに到達します (図 5)。

信号の空間的選択

空の波の偏光は、地球の磁場によって磁化された電離層プラズマ内の偏光面の回転により予測できません。

受信点に空の波が存在すると、方向探知のエラーが発生し、「夜間」エラーという特別な名前が付けられています。それがどのように生じるかを理解するために、図を使ってみましょう。 6 ループアンテナの体積放射パターンを構築します。垂直偏波 1 が f=90°、b=0°の角度で水平方向から到来すると、受信は最大になります。角度 b (図 2 の波 7) を大きくしても、波 H の磁場ベクトルは依然としてフレームの軸と平行のままであり、磁場自体がフレームの軸を貫通するため、信号強度は変化しません。コイル。ベクトル H がフレームの軸と平行であれば、波が垂直下に落ちた場合でも、受信は最大になります。これらの考慮事項により、フレームの軸上に置かれたトロイド (「ドーナツ」) の形でフレームの 6 次元放射パターンを描くことが可能になります。当然のことながら、図 XNUMX に示すように、このトロイドの半分だけが地球の表面から上に上がります。 XNUMX. このような図は、アンテナに関する多くの教科書に記載されています。この図には最小受信の水平軸があり、ボックスの軸と一致しています。

信号の空間的選択

波 3 では画像が変わり、波の到来方向がフレームの軸と一致します。ベクトル H がフレームの軸に垂直であり、磁場がコイルを貫通しないため、そのような波は EMF を引き起こしません。角度 b、つまり波の到来角が増加すると、ベクトル H はフレームの平面内に留まり、その軸に対して垂直になります。この場合も受付はお休みとなります！今、それは軸ではなく、最小受信の垂直面であることがわかり、フレームの軸はこの面にあります。体積放射パターンは、フレームの両側にある XNUMX つの半球の形をとります。しかし、まったく下降する波はどうでしょうか。結局のところ、前の例では受け入れられましたが、今は受け入れられていないのでしょうか。読者は尋ねるだろう。そうです、純粋な入射波は、そのベクトル H がフレームの軸に平行であれば受け入れられますが、垂直であれば受け入れられません。

したがって、フレームは入ってくる空間波の偏光に敏感です。それらの予測できない偏光は、指向性パターンの最小値の「不鮮明化」と、かなり重大な方位誤差を引き起こします。

ループアンテナは小さく、設計がシンプルであり、他にも多くの利点があります。ループコイルのインピーダンスは誘導性であるため、可変コンデンサを追加するだけで、受信信号の変動に共振するように調整できます。結果として生じる発振回路は、まず受信信号の振幅を増加させ、次に他の周波数で動作する不要な局の信号を抑制します、つまり受信機の選択性を高めます。このフレームのもう XNUMX つの利点は、電力周波数ネットワークからの干渉の近傍界には主に電気成分が含まれることが多いのに対し、フレームが磁界成分に応答することです。したがって、都市環境における磁気ループアンテナでの受信は、通常、電気アンテナ、ダイポールアンテナ、ワイヤーアンテナでの受信よりもノイズ耐性が高くなります。田舎ではそのような差はありません。そしてもう XNUMX つ、電波の磁気成分は、波長の数分の一で建物の内部に少なくとも少し浸透しますが、それでも電気成分よりも深く浸透します。したがって、室内アンテナは磁性体にするのが良いでしょう。

フレームの指向性特性により、干渉源が局所的であり、干渉電波が特定の方向から到来する場合、多くの場合、干渉を排除または軽減することが可能になります。この場合、フレームの最小受信軸は干渉源に向けられている必要があります。この場合、有用な信号の到来方向が放射パターンの最大値に対応しなくなるため、有用な信号も減衰する可能性がありますが、信号対雑音比は大幅に改善される可能性があります。これを実際に検証するには、フェライト磁気アンテナ (その特性はフレームの特性と似ています) を備えたポータブル受信機の電源を入れます。次に、受信機を動作中のテレビまたはコンピュータ (重大な干渉源) の近くに置き、手の中で受信機を回して磁気アンテナの向きを変えてみます。一部の位置では干渉が大幅に弱まります。

著者: V.Polyakov、モスクワ

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