VHF/UHF频段业余无线电测向

〖利用对讲机测向〗

 

    最简单的测向方法就是完全利用对讲机本身(包括橡皮天线)进行近距离测向。

 

    如果发射机使用的是垂直极化天线,辐射出的射频电场传播到远处理想的地面附近时,呈垂直方向。这时接收机的橡皮天线(小直径螺旋天线)只有垂直放置才能和电场方向相一致,得到最大信号。因为垂直橡皮天线没有方向性,这样并不能确定电台的方向。但是如果接收点的大地导电率不好,地面附近的电场方向会发生歪斜,在入射方向上与地面形成小于90度的夹角。这时,把橡皮天线的顶端斜向发射机的方向才能使天线和电场完全平行而得到最大信号,因而有可能确定电台的方向。然而,在电台远处,这种电场的倾斜很不明显,实际上无法实用。

 

    但是近区情况有所不同。根据电磁场方程,在离发射天线很近的范围内,不仅有一般无线电书籍所描述的辐射场,还有较少提及的感应场。它的电场方向有平行于地面的分量,造成地面附近电场方向严重向电台方向倾斜,因此当接收机的橡皮天线以一定倾角指向电台方向时,可以获得比较明显的信号增强,从而测出发射机的方位。

 

    19975月,本文作者在泰国的合艾市为泰国和马来西亚的HAMARDF讲席班,在一个园子里放置了三部发射机。当时CRSA只赠送了一台2M测向机,只能安排大家轮流实习。 但是许多HAM等不及,分别拿着自己的对讲机就跑出去用上述方法找电台,也都很快地找出了所有电台。

 

 

〖对讲机+定向天线〗

 

    利用本身没有方向性橡皮天线以及电场有限的倾斜测向,效果很不理想。所以最好还是在对讲机上加一副定向天线。业余无线电爱好者在测向中常用的定向天线主要是2单元和3单元八木天线、HB9CV天线和其他形式的相控定向天线。 3单元八木天线指向比较尖锐些,但比较笨重。 2单元八木天线方向图的主瓣比较宽,但仍有很好的前后比,体积比三单元小,便于携带。 HB9CV天线是直接耦合的两单元天线,体积更加小巧,效果与2单元八木大体相似。 90年代的ARRL手册上还介绍了其他类型的定向天线,在许多国家得到应用。

 

 

〖从其他方法得到更好的方向性〗

 

      VHF 频段的手持测向机不可能使用体积很大的多振子天线来取得尖锐的方向性,但是我们可以采用其他的测向方法来获得尖锐的方向性。例如国外不少业余爱好者使用的方向图切换法

如果我们用AB两支相同的垂直天线( 例如1/4波长天线或者橡皮天线)相隔几十公分放置,两天线用电缆相接。同时利用二极管开关轮流把接收机接到AB天线。

 

    当接到A天线时,如果电波的某一波面从B天线的方向过来,先在B天线中感应出一个相应的信号电压,经过BA之间空间的传输延时,在A天线中感应出一个相应的信号电压。B天线的信号则经过电缆的延时也到达A。虽然空气中和电缆中的延时不完全相同,但总体说来AB两支天线的信号是互相叠加的。 反之,如果电波由AB方向传播,两天线信号互相抵消。所以这时天线有方向性。但是通过计算推导或者试验测试,方向性并不很尖锐。

 

    当收信机接到B天线时,情况与上述相似, 只是方向图反了一个向。

 

    假使我们用一个音频方波去控制二极管开关,使系统在两个相反的方向图之间以音频速度切换。无论电台处于A方向还是B方向,分别从两天线馈电得到的信号差别都是最大,解调后最后会听到一个额外的音频信号。而当电台处在AB天线连线的中线时,无论切换在AB天线,两者情况对称,得到的信号强度没有差别,解调后没有额外的声音。这样得到的哑点比原来的方向图要尖锐得多,有利于准确测向。

 

 

FM限幅的困扰〗

 

    前面讲到的只是如何得到与电台方向有关的不同强度的信号。这些信号要通过收信电路才能使人感受到。如果天线输出的信号很弱,FM对讲机的限幅电路还没有起作用,那么我们可以一边转动天线,一边从扬声器或耳机的音量大小来判定电台的方位。但是如果信号足够强,FM对讲机中放电路就会对信号进行限幅,无论接收到的信号强度有什么变化,解调出来统统一样,无法用耳朵分辨。这时就只好根据对讲机的场强表显示来判别。当然这很不方便,因为现代液晶屏条状图显示的场强很粗糙,不能充分表现场强的细微差别,而且一边看表一边走路容易摔跤。所以,最好的办法还是做一台专门的没有限幅电路的测向机。

 

 

〖采用其他测向原理〗

 

    为了使通常的FM接收机很好地用于测向,可以采用其他的测向原理,业余界最常用的是到达时间差法(Time-Difference-of-Arrival )(TODA)和多普勒法。

 

    TODA法中,使用AB两支相隔几十公分的直立天线,用二极管开关以音频速度交替接到FM接收机上。当电波从AB的连线方向传来时,到达AB天线的时间不同,这种传播上的时间差会造成接收到的信号频率发生跳变,产生附加调频。这种附加调频信号分量可以通过FM中放的限幅电路,最后在鉴频级解调出一个附加的音频长音。

 

    当电台在AB连线的中线方向时,电台到两支天线的距离相等,切换时没有附加调频,听不到附加的音频信号。

 

    一个简单的CMOS音频振荡器、两个开关二极管(最好是PIN管)、一块积层电池完全可以装在AB天线的支架内,成本很低,而对讲机本身不用作任何内部改动,因此这是一个很普及的手持业余无线电测向机方案。

 

    实际上TODA法应用的就是多普勒效应。但是往往使用轮流工作的多支天线以模拟单支天线作速度为美妙几十周到一千周左右的圆周运动,最后自动显示电台方位角度的测向系统才称为多普勒法。多普勒测向机比较复杂些,但可以在若干分之一秒钟内显示出发射机的方位角,甚至直接在电子地图上标出方向线,所以在无线电监测、机场塔台等场合得到广泛的应用,国际上著名的罗德-施瓦茨公司和马可尼公司都曾到我国展示他们的产品,天津也有工厂生产航空用设备,国外业余无线电爱好者也有自制手持式或者和电脑连用的多普勒自动测向机的。

 

    TODA法、前述的方向图切换法和多普勒法都有一个好处,就是它们并不是靠直接收听射频信号上所调制搭载的低频信号,所以不论发射机信号是否经过调制,只要有载波信号就可以测出方位。

 

 

〖塑料壳的麻烦〗

 

当离发射机很近时,发射天线周围的电磁场很强,足以从塑料外壳串入接收电路的高放级。即使配用的定向天线性能极好,指向电台反方向时天线并没有信号输出,但串入的机壳信号却已经足够使得接收机饱和,造成近距离时定向天线方向性极度变坏。当然可以用金属壳把对讲机屏蔽起来,但实际上实现起来有困难。所以一种办法是,在天线与对讲之间加一个简单的变频器,常用的是由一或两个场效应管或三极管和一块500KHz晶体组成的变频电路, 使接收频率偏移500KHz。例如,探测144.5Mhz的电台时,对讲机调谐在145.0MHz上。 这样,只要这个外接的变频器屏蔽良好,144.5MHz的强信号串入对讲机就不至于再产生明显的影响。这个变频器只在极近距离才使用,因此电路要求不高。体积很小,完全可以装在定向天线的支架上。

 

 

 

〖靠场强变化寻找电台〗

 

    到了发射机的近区,由于周围物体反射的电波相当强,往往天线的方向性变差。而这时每离电台近一步,信号强度就可能增加很多。由于近场包括了辐射场(电、磁场强度成一定比例;在平面波,即天线能量集中在地面方向时,场强与距离平方成反比;在球面波,即天线能量在垂直方向的很大角度内均匀辐射时,场强与距离立方成反比)和感应场(电、磁场强度的比例与距离有关,场强与距离的高次方成反比),在离电台几十个波长的范围内信号强度会出现戏剧性的变化,如果通过实践积累这方面的经验,根据场强的变化率判定发射机距离是近区测向的重要技巧。

 

 

〖强信号的衰减〗

 

    对讲机的灵敏度很高,没有为测向考虑的措施,当离电台很近时高频和中频级会严重过载,虽然对FM信号的解调并没有影响,但对近区依靠场强变化率判断发射机距离的那些测向机却是大大的不利。所以,利用对讲机测向通常要在天线和机器之间加入可变衰减器,例如由电阻网络和扭子开关构成的步进衰减器,最大衰减量应至少为80dB。当接近电台时,加入不同衰减、保持对讲机的场强指示固定在某个中间值,就可以根据逼近电台时所加入的衰减量来判定电台的距离。

 

    另一种简单而有效的大范围衰减器是在前面〖塑料壳的麻烦〗所提到的500Khz变频器上做文章。用一个电位器改变500KHz本振向变频管的注入电平,可以容易地得到80dB的衰减调节范围。

 

 

〖国际业余无线电测向概况〗

 

    由于测向者本人不需要发射,不属于双向联络,所以没有取得业余电台执照而只搞测向的人是否属于“Radio Amateur”的范畴, 有些老牌HAM是有疑问的, 例如ARRL代表在1991IARU三区会议上就提出过这一看法。不过目前比较一致的看法是,业余无线电测向是业余无线电的一个分支。但是要取得国际业余无线电测向竞赛中的国际裁判资格,必须是持有有效的业余电台执照的业余无线电爱好者,但是照顾到中国、朝鲜和个别东欧参赛者的情况,不强调一般参赛者的业余无线电资格。

 

    苏联解体前,东欧和蒙古都有专业训练的测向队,但其成员本身(尤其是男性)大都是持照的真正业余无线电爱好者,所自制的测向机也是五花八门、各有特色,工艺水准一般比较高。苏联解体后,有专业测向队的国家只剩下朝鲜。

 

    在以东欧测向运动专家为主力的IARU一区测向工作组(R1 ARDFWG)的推动下,他们制定的“IARU业余无线电测向(ARDF)世界锦标赛规则逐渐被其他区所接受。他们的初衷是只有按照他们的规则的测向活动才叫做ARDF。虽然他们本身是业余无线电爱好者,但是鉴于他们的体力基础,所制定的规则偏重于体力,如果没有专门的体力训练,技术型的爱好者想夺标是难有希望的。

 

    虽然近年来一些西方国家的测向爱好者陆续加入了ARDF活动,但东欧本身的测向活动规模缩小。从世界整体看(不计我国学生中的临时参与者),参加ARDF的约23万人,约占持照业余无线电爱好者的百分之一。

 

    除了带有运动性的ARDF外,更多的业余无线电测向活动是以技术型为主的,主要分布在西方国家和一些亚洲国家。这些活动因地置宜,没有统一的游戏规则,不需要很多投入,以技术、服务和自我训练为目的,使业余无线电测向成为整个业余无线电的一个有实用意义的分支。例如协助寻找失事飞机、测定事故车辆位置(美国汽车翻下高速公路后从路面看不到,由HAM测向寻找)、协助跟踪候鸟活动, 利用测向技术查找入侵业余频段非法台,探查CATV泄漏源等。香港爱好者就曾利用测向技术查找业余频段的干扰。另一个有趣的小小例子是,澳大利亚某HAM的寻呼机在铡草时丢失。如何在大片草丛中找回? 最后是求助于测向技术,探测它泄漏的微弱本振信号。

 

    测向也经常被HAM当作一种很普遍的余兴节目。 例如国外俱乐部经常在周末聚会地点设置电台,参加聚会者通过测向找到目的地,然后开始聚餐。当然,最后也会在电台中指引那些找不到电台的人,免得他们赶不上聚会。

 

    在绝大多数有业余测向活动的国家和地区,测向设备几乎都需要DIY,尤其是天线。因为多数人以对讲机为基础着手,各人机种不同,所以总得自己动点脑筋。在难以对商品整机下刀子的今天,通过自制简单附加设备构成测向系统无疑是新时代学习无线电技术的一个很好的办法。

 

    虽然测向是一门古老的技术,但是还有许多新课题。例如天波的测向精度至今很难用小体积的天线解决,又如随着调频、扩散频谱通信的发展,测向技术业必须有新的突破。关于无线电测向的好玩东西多着呢。如果哪天我们到别的城市去出差,刚按下对讲机的按钮就被当地的HAM测向网定了位,那个水平才够意思。 那任何在业余专用段出现的非法电台都逃不过我们的眼睛了!

 

 

编辑/整理:BW496

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