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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Seleção espacial de sinais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis O uso de antenas com um padrão de radiação visivelmente não circular reduzirá a interferência de transmissores que usam a mesma frequência do rádio que você deseja usar. As mesmas antenas permitem determinar a direção da estação de rádio - para encontrá-la, é necessário determinar sua localização ou a localização da estação de rádio. Este artigo fala sobre como isso pode ser feito com uma antena de loop. Você pode determinar a direção de chegada das ondas de rádio usando um localizador de direção - um receptor de rádio equipado com uma antena direcional. A radiodireção permite resolver uma série de problemas práticos importantes, principalmente de natureza navegacional. Por exemplo, se um receptor localizador de direção estiver instalado em algum objeto em movimento (avião, navio, etc.), cuja localização é desconhecida, então, tendo determinado com sua ajuda a direção de chegada das ondas de rádio de dois ou três transmissores de rádio conhecidos, também podemos descobrir o local onde o objeto de nosso interesse está localizado no momento. Como isso é feito é ilustrado na Fig. 1.
Primeiro determine o ângulo f1 entre a direção do meridiano N e a direção de chegada do sinal de rádio do primeiro transmissor ("Mayak 1"). Em seguida, no mapa de navegação através do ponto onde este transmissor está localizado, uma linha (rumo) é traçada em um ângulo f1 para o meridiano. As mesmas construções são realizadas para o segundo transmissor ("Mayak 2"). O ponto de interseção dos rolamentos corresponderá à localização do objeto em movimento. Freqüentemente, a localização por rádio resolve outros problemas. Com a ajuda de localizadores de direção localizados em locais diferentes, determina-se a direção de chegada de um sinal de rádio do mesmo transmissor e, traçando no mapa os rumos assim obtidos, encontra-se a localização do próprio transmissor no ponto de sua interseção (Fig. 2).
Para determinar a direção de chegada do sinal de rádio, foi proposto antes de outros usar uma antena de loop. Para entender suas propriedades direcionais, vamos relembrar a estrutura de uma onda eletromagnética, que é ilustrada na Fig. 3. Esta figura pode ser encontrada em qualquer livro sobre engenharia de rádio.
Uma onda eletromagnética consiste em campos elétricos E e magnéticos H oscilando com a frequência do transmissor. Esses campos são perpendiculares entre si e, como a própria onda é transversal, também são perpendiculares à direção de sua propagação C. A direção do vetor do campo elétrico E determina a polarização da onda, que pode ser horizontal, vertical e arbitrária. Em comprimentos de onda longos e médios, a terra e principalmente o mar têm boa condutividade elétrica, então as ondas com polarização horizontal perto de sua superfície (e é onde o receptor geralmente está localizado) são bastante atenuadas. Por esta razão, todos os transmissores que operam nas faixas de ondas longas e médias emitem ondas polarizadas verticalmente, cujo campo elétrico na superfície condutora é sempre perpendicular a ela. A antena de loop é uma bobina plana, cujo número de voltas depende do alcance em que a antena opera. Em comprimentos de onda mais curtos, pode conter uma ou mais voltas e em comprimentos de onda mais longos é muito maior. De acordo com a lei da indução eletromagnética, uma onda de rádio que chega ao quadro induz um EMF nele, mas para que isso aconteça, o campo magnético deve penetrar nas bobinas do quadro. Vamos nos voltar para a Fig. 4, que mostra uma vista superior de uma antena de loop vertical. Se a onda de rádio passa ao longo do eixo do quadro (f=0° ou 180°), seu campo magnético não penetra nas voltas do quadro e não há recepção. Se a onda for perpendicular ao eixo do quadro (f=90° ou 270°), então o sinal induzido em suas voltas é máximo. A EMF induzida no quadro pelas ondas de rádio que chegam em outros ângulos f ao seu eixo é proporcional ao seno desses ângulos. O gráfico da dependência do EMF induzido no quadro do ângulo de chegada da onda é chamado de padrão de radiação. Em coordenadas polares, tem a forma de dois círculos que se tocam no local da moldura (Fig. 4).
A localização de direção usando uma antena de loop é melhor feita não no máximo, mas na recepção mínima, já que a última é muito mais pronunciada e a localização de direção é mais precisa. O padrão de radiação tem dois mínimos, então o rumo é determinado de forma ambígua. Na maioria das vezes, sabe-se de que lado o transmissor está localizado e, se essa informação não estiver disponível, você pode usar um dos métodos para obter um padrão de radiação unidirecional. Por exemplo, use um quadro e uma antena chicote omnidirecional para recepção e, adicionando sinais de duas antenas com certas amplitudes e fases (as amplitudes devem ser iguais e as fases são deslocadas em 90 °), compense um dos máximos do padrão de radiação do quadro, aumentando o outro de acordo. Nesse caso, será obtido o chamado padrão de radiação cardióide, que possui um máximo "borrado" e um mínimo agudo. Tudo ficaria bem se as ondas de rádio chegassem ao receptor, propagando-se pela superfície da Terra. Mas desta forma vem a onda de superfície, envolvendo a Terra devido à difração. O alcance de sua propagação, via de regra, é de várias centenas de quilômetros. Mas à noite, nas ondas médias e longas, surge outra onda espacial, devido à reflexão da ionosfera e que se propaga por milhares de quilômetros. Isso acontece porque as camadas superiores da atmosfera (ionosfera) são fortemente ionizadas pela radiação solar e cósmica e, como resultado, conduzem corrente elétrica e refletem ondas de rádio. Durante o dia, nas faixas de ondas longas e ondas médias, as ondas ionosféricas são fortemente absorvidas. Em comprimentos de onda curtos, a absorção é menor e, na ionosférica, as ondas do céu chegam a qualquer hora do dia. A onda ionosférica chega ao quadro um pouco de cima, em um ângulo b em relação ao horizonte (Fig. 5).
A polarização de uma onda do céu é imprevisível devido à rotação do plano de polarização no plasma ionosférico magnetizado pelo campo magnético da Terra. A presença de ondas do céu no ponto de recepção leva a um erro na localização da direção, que recebeu o nome especial de erro "noturno". Para entender como surge, vamos tentar com a ajuda da Fig. 6 construir um padrão de radiação volumétrica da antena de loop. Se uma onda polarizada verticalmente 1 vem de uma direção horizontal em um ângulo de f=90° e b=0°, então a recepção é máxima. Se você aumentar o ângulo b (onda 2 na Fig. 7), a intensidade do sinal não mudará, pois o vetor do campo magnético da onda H ainda permanecerá paralelo ao eixo do quadro e o próprio campo magnético penetrará em suas bobinas. A recepção será máxima mesmo quando a onda cair verticalmente para baixo, desde que o vetor H seja paralelo ao eixo do quadro. Essas considerações permitem desenhar um padrão de radiação tridimensional do quadro na forma de um toróide ("donut"), colocado no eixo do quadro. Naturalmente, apenas metade desse toróide se elevará acima da superfície da Terra, conforme mostrado na Fig. 6. Esse diagrama é fornecido em muitos livros sobre antenas. O diagrama tem um eixo horizontal de recepção mínima, coincidindo com o eixo da caixa.
A imagem muda para a onda 3, cuja direção de chegada coincide com o eixo do quadro. Tal onda não induzirá um EMF nela, pois o vetor H é perpendicular ao eixo do quadro e o campo magnético não penetra em suas bobinas. Com o aumento do ângulo b, ou seja, o ângulo de chegada da onda, o vetor H ficará no plano do quadro e ficará perpendicular ao seu eixo. A recepção neste caso ainda estará ausente! Agora não é um eixo, mas um plano vertical de recepção mínima, e o eixo do quadro está neste plano. O padrão de radiação volumétrica assume a forma de dois hemisférios situados em ambos os lados do quadro. Mas e uma onda em queda livre - afinal, no exemplo anterior foi aceita, mas agora não é? o leitor perguntará. Isso mesmo, uma onda incidente pura é aceita se seu vetor H for paralelo ao eixo do quadro, e não aceita se for perpendicular a ele. Assim, o quadro é sensível à polarização das ondas espaciais recebidas. Sua polarização imprevisível leva a "manchas" dos mínimos do padrão de diretividade e a erros de rolamento bastante significativos. As antenas de loop são pequenas, de design simples e apresentam várias outras vantagens. Como a impedância da bobina de loop é indutiva, ela pode ser ajustada para ressoar com as flutuações no sinal recebido simplesmente adicionando um capacitor variável. O circuito oscilatório resultante, em primeiro lugar, aumenta a amplitude do sinal recebido e, em segundo lugar, suprime os sinais de estações desnecessárias operando em outras frequências, ou seja, aumenta a seletividade do receptor. Outra vantagem do quadro é que ele responde ao componente do campo magnético, enquanto o campo próximo de interferência das redes de frequência de energia contém na maioria das vezes o componente elétrico predominante. Assim, a recepção em uma antena de loop magnético em condições urbanas geralmente é mais resistente a ruídos do que em antenas elétricas, dipolo e de fio. Não existe essa diferença nas áreas rurais. E mais uma coisa: o componente magnético da onda de rádio penetra pelo menos um pouco no interior dos edifícios, por frações de comprimento de onda, mas ainda mais fundo que o elétrico. Portanto, é melhor tornar as antenas internas magnéticas. As propriedades direcionais do quadro tornam possível, em muitos casos, eliminar ou reduzir a interferência se a fonte de interferência estiver localizada e as ondas de rádio de interferência vierem de uma direção específica. O eixo de recepção mínima do quadro neste caso deve ser direcionado para a fonte de interferência. Nesse caso, o sinal útil também pode ser atenuado, pois a direção de sua chegada não corresponderá mais ao máximo do padrão de radiação, porém a relação sinal/ruído pode melhorar significativamente. Para verificar isso na prática, ligue um receptor portátil com uma antena magnética de ferrite (suas propriedades são semelhantes às de um quadro). Em seguida, coloque o receptor próximo a uma TV ou computador em funcionamento (fontes de interferência significativa) e tente girar o receptor em suas mãos para alterar a orientação da antena magnética. Em algumas de suas posições, a interferência será significativamente enfraquecida. Autor: V.Polyakov, Moscou
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