VHF/UHF频段业余无线电简易测向活动

    无线电测向是一门实用技术,广泛应用于无线电管理、军事侦察、交通导航、救援搜索、天文观测、野生动物追踪等方面。自然,也成为业余无线电活动的内容之一。

 

    与业余图象通信、业余数字通信和业余卫星通信相比,业余无线电测向是业余无线电活动历史比较悠久的一个分支。两次世界大战中,无线电测向技术成为重要的侦察技术之一,当然也就激起了业余无线电爱好者的研究兴趣。

 

    后来到了1930年代,一部分欧洲业余无线电爱好者把无线电测向当作户外游戏的工具,逐渐形成了运动型的无线电测向。反法西斯战争结束后,前苏联把这种无线电测向运动当作为国防体育项目之一,在东欧国家推广,奠定了这些国家在测向运动竞赛中的优势。据前些年国际测向界权威人士的估计,世界上参加这种业余无线电测向运动的人数约为2万人左右,即占业余无线电爱好者人数的1%左右,1990年代以前主要分布在欧洲。IARU一区的欧洲人根据自己的习惯和优势制订了一个竞赛规则,命名为“IARU业余无线电测向世界锦标赛规则。他们中间一些人主张只有符合这个规则的业余无线电测向活动才叫做业余无线电测向(Amateur Radio Direction Finding,简称ARDF,其他形式的测向只能使用猎狐等俗名。但是其他地区的爱好者认为这种主张没有道理,把所有形式的业余无线电测向活动都叫做ARDF

 

    欧洲规则的测向在3.5MHz144MHz两个频段进行,前者采用垂直极化波发射,后者采用调幅的水平极化波发射。这样,虽然144MHz是很普及的业余专用频段,但业余电台通信所采用的垂直极化天线和调频收发信设备并不能和这种比赛活动兼容。

 

    在欧洲以外的美洲、澳洲和亚洲国家,更多的业余无线电爱好者参加地方俱乐部组织的业余无线电测向活动。与欧洲模式相比,这些活动较少强调需要高度消耗体力的长距离奔跑,而是较多地强调因地制宜、重视采用先进无线电测向技术。由于因地制宜,因此这些地方性的业余无线电测向活动没有世界统一的规则限制,经常利用经过改装的现成业余电设备,或者按照较新技术自制的专用测向设备,不但容易开展训练活动,也具有较好的实用性。美国ARRL手册的无线电测向章节中介绍的多为此类活动。

 

 

无线电测向和无线电定位

    确定一个未知电台的位置,实际上需要使用两项技术。一是无线电测向,测定无线电波辐射源的方向的过程成为无线电测向。二是无线电定位,根据方向信息确定被测点位置的过程成为无线电定位。(当然,还有不涉及测向的无线电定位方法。)不过通常情况下所说的ARDF笼统包含了测向和定位的过程。

 

 

无线电测向系统的组成

    一般讲来,要利用单台设备测定电波辐射源的方向,就需要有一种在不同方向上接收电波能力不同的天线系统,即定向天线系统。定向天线系统可以是一个本身具有方向性的天线,例如八木天线或者环形天线,也可以是多个无方向性天线(全向天线)组合成的定向天线阵。

 

此外,为了将信号选择放大到可以被人感知的程度,还需要适当的无线电接收机。对一般通信或广播用的无线电接收机的要求是希望它们对天线接收到的信号参数(信号强度等)的变化越小越好,以利于稳定接收,而测向接收机则希望对由于天线方向性和信号方向引起的信号变化越敏感越好。因此一般通信接收机需要经过一定改造、处理才能较好地应用于测向。

 

最简单的VHF/UHF近距离测向

    VHF/UHF本地通信多采用垂直极化电波,即发射天线垂直于地面,在大地为理想导体的条件下,其产生的电场方向也垂直于地面。如果我们在周围用一台带有垂直天线的手持台的收信部分接收,照理是测不出发射机方向的。

 

    但是,实际的大地并非理想导体,因此电波在前进过程中,电场与地面之间会在电波前进方向上有一定倾斜夹角,尤其是离发射机很近的地方。

 

    在这个区域内,如果我们手持台的天线与电场方向放置得完全一致,即天线的上端指向发射机的方向,天线感应出的信号就最强,否则信号就减弱。因此,倾斜天线并转动方向,观察接收到的信号强度,就有可能判断出电台的方向。

 

    当测试点与发射机的距离进一步减少到几米时,伸直握住手持台的手臂,以身体为轴心转动,接收机与发射机之间的距离变化所引起的信号强度变化就会明显起来,因此向前倾斜天线结合手臂扫寻和短距离奔跑,是可以从几十米之外追踪到隐蔽发射机的。

 

    虽然这种测向效果并不很好,但是在突发灾害、手边没有完善的测向设备情况下会很实用。例如测定被压在废墟下受害者的位置。

 

    本文作者曾经看到泰国和马来西亚的一次联合测向练习,几十名爱好者都很快用普通的对讲机找到了隐藏在校园里的3部发射机。

 

 

利用人体的简易定向天线

    前几年美国QST杂志介绍了另一种简易测向的办法,即以固定姿势将手持台握在胸前并与身体保持一定距离,把具有一定导电性能的身体当成一个反射体,形成一个简单的定向天线系统,然后转动身体,当面对电波入射方向时接收到的信号最大,这样就可以测出电台方向。

 

    本文作者在测试144MHz天线方向性时曾可以观察到几米以外人体移动对信号强度的影响,说明人体反射电波的作用比想象的明显。虽然利用人体的定向天线系统效果并不理想,但应该可以工作。

   以上的测向方法虽然太简陋了,但在突发灾害时搜救废墟下的受害者时还是具有一定的实际意义。

 

 

调频接收机在测向中的问题

    50MHz外,VHF/UHF业余频段通信虽然也有用SSBCW等方式(例如业余卫星和EME通信)的,但多数还是使用FM方式,包括调频话和副载频AFSK的调频数据(如PACKET)。

 

    调频通信方式的主要优点是,所要传输的信号幅度是用射频信号频率的偏移来表示的,解调工作与接收到的射频信号的强度无关,因此传输途中各种干扰、衰落引起的信号幅度变化不会被解调出来,所以最后得到的信号信噪比高,保真度好。

 

    为了彻底消除传输信道中干扰造成的幅度畸变,调频接收机通常都对信号进行足够的放大,然后经过限幅,把信号切成理想的等幅调频波,再送到鉴频电路把原始音频信号解调出来。因此我们最后得到的音频信号十分干净,没有噪音。

 

    当没有接收到信号时,送入鉴频电路的是接收机的本机噪音。虽然噪音幅度不大,但是它的频率是在很大范围内随机变化,而鉴频电路的输出信号大小只决定于这个频率的变化,因此解调得到的输出信号幅度很大,所以会听到强烈的噪声。

 

    当我们将调频接收机用于测向时,不论如何转动定向天线使信号强度随方向有所变化,或者在接近发射机的过程中信号随距离缩短而不断增强,只要最小的信号已经达到限幅电路的门槛,则所有的幅度变化都会被切掉,最终听到的信号不会有强度上的变化。

 

    虽然很多业余收信设备上有信号强度指示,但是这个指示比较粗糙,反应不灵敏,而且其刻度是按照一般通信条件设计的,当离开发射机较近时一般都会满表

 

    不过当信号很小,小到限幅门槛以下时,调频接收机还是可以反映信号强度的。在限幅尚未或者刚刚起作用时,送到鉴频电路的有微弱的接收信号,还有本机噪声。最后听到的是混有噪声的音频信号。当信号变强时,限幅所起的作用增强,噪声变小。因此可以根据信号和噪声的对比来判定信号强度的变化。

 

    所以,通常的手持对讲机的接收部分只能在离开发射机较远的地方直接用来测向。当逐渐靠近发射机时,必须将接收到的信号人为地衰减到限幅临界点。也就是说,利用业余通信接收机测向,除了需要定向天线系统外,还需要一个可以调节的射频衰减器。

 

    注意,接收机上的音量旋钮调节的是解调以后的音频信号,而我们需要衰减的是解调以前的高频信号,调节音量旋钮并不能解决问题。

 

 

最简单的衰减器

    QST杂志介绍的利用人体的定向天线系统文章中使用了一个最简单的衰减器来解决使接收机在从远到近的所有距离内保持临界限幅的状态。这就是用金属板或者镀有导电层的纸板卷一个几十公分长、能使手持接收机自由放入的屏蔽圆筒,用一根绳子吊住接收机放入圆筒,调整接收机在圆筒内的深度使信号减小到和噪音相当,固定住接收机、圆筒和自己身体的相对位置,再转动身体测向。

 

电阻衰减器

    利用开关切换的电阻网络做成的衰减器被广泛地应用于业余无线电的射频调试。它也可以用于测向。当然,衰减器必须有良好的屏蔽设计,防止信号通过空间越过衰减网络直接进入后面。

   衰减器一头连到定向天线,另一头连到接收机,通过开关改变衰减量,使信号衰减到临界限幅状态即可。

 

电阻衰减器的缺点及其解决办法

    通信调频接收机十分灵敏,而离开发射机一米远时的信号强度十分可观,将其衰减到限幅门槛以下需要70dB以上的衰减量。 从理论上讲,工艺精良的电阻衰减器可以做到这一点。但是即是衰减器没有问题,离电台十分接近时接收机还是难以反映信号强度变化,因为很多手持设备的屏蔽并不很完善,靠近电台时直接从塑料外壳窜入接收电路的信号足以超过限幅门槛。

 

    为此,QST杂志提出过另一种衰减器,即在定向天线和调频接收机之间插入一个额外的增益可调的变频电路,例如将频率向下搬移500KHz。这样,如果我们要测定的电台工作在144.70MHz,那么我们需要把接收机调谐在144.20MHz。离开电台越近,我们可以越加压低变频电路的效率,以实现所需的衰减。此时即使发射机的144.70MHz信号直接窜入接收电路,也不在我们的接收频率144.20MHz上,没有什么影响。

 

    这个变频电路与一般接收机的变频级不同,它被用来衰减信号而不必追求尽量高的变频增益,所以它可以被设计得很简单。

 

    当然这样的变频衰减器也有一定的缺点,一是使用衰减器时接收机不是调谐在目标电台的工作频率上,不直观、不方便;二是使用电位器简单地衰减本振幅度时,衰减量的控制难以均匀、准确地标度。

 

八木定向天线

    八木天线是典型的定向天线,很多有关业余无线电天线和电视天线的书刊中有详细介绍,这里不再重复。

 

    虽然八木天线的振子越多方向性越尖锐,但是一般业余无线电手持测向机使用三单元144MHz或者45单元430MHz天线就可以了,振子越多体积越大,不利于携带和移动。另外,在一般市镇、山地、树林等条件下,尤其是天线很矮、与人体距离很近时,这些环境对电波的反射、吸收造成的指向误差是十分明显的,天线方向性再尖锐也未必有实际意义。

 

 

HB9CV天线

    作为手持144MHz频段天线,八木天线的体积有时还嫌大,国外很多爱好者选用了一种叫做HB9CV的天线,这种天线的两个振子间的距离比较小,总体积也就小。

 

    这种天线由2个半波长振子组成,两个振子间用相位线联结,按照一定相位供电,使它们产生的电磁场在一个方向抵销、另一个方向叠加。50欧馈电线与天线馈电点之间串联一个半可调电容。调整这个电容,可以得到极好的前后比。

 

 

利用附加调频测向多普勒法

    上面叙述的测向基于感测定向天线在指向不同方向时接收到的信号强度所发生的变化。虽然使用适当的衰减器可以使调频通信接收机最终输出的音频信号反映出信号变化,但是这种变化是靠伴生噪声的大小来反映的,听起来不舒服,而且在接近被测电台的过程中需要不断调整衰减器才能使信号保持在反映最灵敏的范围。

 

    为了克服这些问题,可以采用另外的技术,把电波入射方向与天线的关系转换为对信号的附加调频深度,这样就可以直接利用调频通信接收机直接把这种关系解调为可听信号,而不必插入需要不断调整的衰减器、非把信号衰减到和本机噪声相比拟的微弱程度。多普勒法是业余无线电测向最常用的一种附加调频的方法,它利用切换不同空间位置的天线,模拟天线在电波传播方向上的相对运动,产生多普勒频移。

 

    最简单的多普勒测向机天线系统由两支相同的垂直天线构成,可以是臂长为1/4波长的垂直接地天线,也可以是全长为1/2波长的垂直偶极天线,本例为后者。两支天线之间的空间距离为1/4波长至1/2波长之间。

 

    两支天线通过长度相等的馈线,经过一个电子开关轮流接到接收机输入端,重复频率在音频范围内,例如1KHz

 

    当两支天线的连线垂直于电波入射方向时,无论哪一支天线接到接收机,天线离发射机的距离不变,接收到的信号没有任何变化。

 

    当两支天线的连线和电波入射方向一致时,一会儿离发射机较近的那支天线工作,一会儿离发射机较远的那支天线工作,从接收机看来好象天线一会儿移动靠向发射机,一会儿移动远离发射机。当天线迎向电波入射方向运动时,接收到的信号频率会由于多普勒效应而变高,反之,当天线逆向电波入射方向运动时接收到的信号频率降低。这样接收到的信号频率出现了附加调制。这个按音频速度切换引起的附加调频,最后会被解调成音频方波信号而可以被人耳听到。当电波入射方向与两支天线的连线平行时,这个附加音频信号幅度最大;当电波入射方向与两支天线的连线垂直时,附加音频信号幅度为零。这样转动天线系统,就可以根据附加的音频方波信号的大小来判别电台的方向。音频信号的大小只与方向有关,而与测试点与发射机的距离无关,因此测向操作比较方便。

 

    这种双天线多普勒测向系统的方向特性呈现8字形,当电波入射方向垂直于两支天线连线时,方向与输出音频信号幅度的关系比较灵敏,可以比较精确地指示出发射机与测试点之间的连线,但是电台究竟在连线的哪一头却无法指示出来,所以至少需要在两个以上地点进行测向,交叉定点。

 

    本例的多普勒天线系统的制作中需要注意一点,即每支天线的馈电电缆的电气长度应该取1/2波长。当天线两臂之间的二极管反偏截止时,天线正常工作,它的阻抗为50欧姆左右,经过特性阻抗为50欧姆的电缆,在接收机端表现的阻抗还是50欧姆。当二极管正偏导通时,其高频动态阻抗极小,相当于短路,如果电缆电气长度为1/2波长,反射到另一端的阻抗为无穷大,不会影响另一支天线。假如电缆长度不合适,反射到另一端的阻抗相当于在接收机输入端并联了一个电阻,使正在工作的那支天线的信号损失一部分,影响整个系统的灵敏度。

 

更多的研究空间

    除了上面提到的测向方法以外,业余无线电测向还包括很多其他方法,有些方法简单,有些方法很复杂,决不是一篇文章可以说完的。即使是世界上比较先进的无线电测向专业设备和系统,也还是有很多问题没有解决,尤其在提高精度方面,例如如何克服电离层或者城市环境影响造成的畸变而精确测定电台方向效果还不十分理想。因此,业余无线电技术是一个既古老、又存在研究空间的领域,值得有兴趣的业余无线电爱好者试一试身手。

 

    应该说明的是,无线电测向也是无线电管理的对象之一。业余无线电测向可以用来研究技术,测定业余电台、干扰业余频段的非法干扰电台以及其他干扰源(例如工业放电对周围广播造成的干扰、家庭闭路电视系统的泄漏等),应用于协助救生搜索、野生动物保护、业余天文观测等,以及作为竞赛、游戏,但是不允许用来测定其他正常无线电通信业务电台的参数,务请注意。

 

编辑/整理:BW496

This entry was posted in Games. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s