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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Sélection spatiale des signaux. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radiocommunications civiles L'utilisation d'antennes avec un diagramme de rayonnement sensiblement non circulaire réduira les interférences des émetteurs utilisant la même fréquence que la radio que vous souhaitez utiliser. Les mêmes antennes permettent de déterminer la direction vers la station de radio - de la trouver, ce qui est nécessaire pour déterminer soit votre emplacement, soit l'emplacement de la station de radio. Cet article explique comment cela peut être fait avec une antenne cadre. Vous pouvez déterminer la direction d'arrivée des ondes radio à l'aide d'un radiogoniomètre - un récepteur radio équipé d'une antenne directionnelle. La radiogoniométrie permet de résoudre un certain nombre de problèmes pratiques importants, principalement de nature navigationnelle. Par exemple, si vous installez un récepteur radiogoniométrique sur un objet en mouvement (avion, navire, etc.), dont l'emplacement est inconnu, alors, après avoir déterminé avec son aide la direction d'arrivée des ondes radio de deux ou trois émetteurs radio connus, vous pouvez également connaître l'endroit dans lequel se trouve actuellement l'objet d'intérêt. La manière dont cela est réalisé est illustrée sur la Fig. 1.
Déterminez d'abord l'angle f1 entre la direction du méridien N et la direction d'arrivée du signal radio du premier émetteur ("Mayak 1"). Puis sur la carte de navigation passant par le point où se trouve cet émetteur, une ligne (relèvement) est tracée selon un angle f1 par rapport au méridien. Les mêmes constructions sont réalisées pour le deuxième émetteur ("Mayak 2"). Le point d'intersection des relèvements correspondra à l'emplacement de l'objet en mouvement. Souvent, la radiogoniométrie résout d’autres problèmes. A l'aide de radiogoniomètres situés à différents endroits, la direction d'arrivée d'un signal radio provenant du même émetteur est déterminée et, après avoir reporté les relèvements ainsi obtenus sur la carte, l'emplacement de l'émetteur lui-même est trouvé au point de leur intersection (Fig. 2).
Pour déterminer la direction d'arrivée du signal radio, il a été proposé plus tôt que d'autres d'utiliser une antenne cadre. Pour comprendre ses propriétés directionnelles, rappelons la structure d'une onde électromagnétique, illustrée sur la Fig. 3. Ce chiffre peut être trouvé dans n'importe quel manuel d'ingénierie radio.
Une onde électromagnétique est constituée de champs électriques E et magnétiques H oscillant avec la fréquence de l'émetteur. Ces champs sont perpendiculaires entre eux, et comme l'onde elle-même est transversale, ils sont également perpendiculaires à la direction de sa propagation C. La direction du vecteur champ électrique E détermine la polarisation de l'onde, qui peut être horizontale, verticale et arbitraire. Aux longueurs d'onde longues et moyennes, la terre et surtout la mer ont une bonne conductivité électrique, donc les ondes à polarisation horizontale près de leur surface (et c'est là que se trouve habituellement le récepteur) sont fortement atténuées. Pour cette raison, tous les émetteurs fonctionnant dans le domaine des ondes longues et moyennes émettent des ondes polarisées verticalement, dont le champ électrique est toujours perpendiculaire à la surface conductrice. L'antenne cadre est une bobine plate dont le nombre de tours dépend de la plage dans laquelle l'antenne fonctionne. Aux longueurs d'onde plus courtes, il peut contenir un ou plusieurs tours, et aux longueurs d'onde plus longues, il est beaucoup plus grand. Selon la loi de l'induction électromagnétique, une onde radio arrivant au cadre y induit une CEM, mais pour que cela se produise, le champ magnétique doit pénétrer dans les bobines du cadre. Passons à la fig. 4, qui montre une vue de dessus d'une antenne cadre verticale. Si l'onde radio passe selon l'axe du cadre (f=0° ou 180°), alors son champ magnétique ne pénètre pas dans les spires du cadre et il n'y a pas de réception. Si l'onde est perpendiculaire à l'axe du cadre (f=90° ou 270°), alors le signal induit dans ses spires est maximum. La FEM induite dans le cadre par les ondes radio arrivant sous d'autres angles f par rapport à son axe est proportionnelle au sinus de ces angles. Le graphique de la dépendance de la CEM induite dans le cadre sur l'angle d'arrivée de l'onde est appelé diagramme de rayonnement. En coordonnées polaires, il a la forme de deux cercles se touchant à l'emplacement du repère (Fig. 4).
Il est préférable d'effectuer la radiogoniométrie à l'aide d'une antenne cadre non pas à la réception maximale, mais à la réception minimale, car cette dernière est beaucoup plus prononcée et la radiogoniométrie est plus précise. Le diagramme de rayonnement a deux minima, le relèvement est donc déterminé de manière ambiguë. Le plus souvent, on sait de quel côté se trouve l'émetteur, et si cette information n'est pas disponible, vous pouvez alors utiliser l'une des méthodes pour obtenir un diagramme de rayonnement unidirectionnel. Par exemple, utilisez un cadre et une antenne fouet omnidirectionnelle pour la réception et, en ajoutant des signaux de deux antennes avec certaines amplitudes et phases (les amplitudes doivent être égales et les phases sont décalées de 90°), compensez l'un des maxima de le diagramme de rayonnement du cadre, augmentant l'autre en conséquence. Dans ce cas, on obtiendra le diagramme de rayonnement dit cardioïde, qui présente un maximum « flou » et un minimum net. Tout irait bien si les ondes radio parvenaient au récepteur et se propageaient à la surface de la Terre. Mais c’est ainsi que vient l’onde de surface, qui enveloppe la Terre à cause de la diffraction. La portée de sa propagation est généralement de plusieurs centaines de kilomètres. Mais la nuit, aux ondes moyennes et longues, une autre onde spatiale apparaît, due à la réflexion de l'ionosphère et se propageant sur des milliers de kilomètres. Cela se produit parce que les couches supérieures de l’atmosphère (ionosphère) sont fortement ionisées par le rayonnement solaire et cosmique et, par conséquent, conduisent le courant électrique et réfléchissent les ondes radio. Pendant la journée, dans le domaine des ondes longues et moyennes, les ondes ionosphériques sont fortement absorbées. Aux longueurs d’onde courtes, l’absorption est moindre et les ondes célestes ionosphériques arrivent à tout moment de la journée. L'onde ionosphérique arrive au cadre quelque peu par le haut, selon un angle b par rapport à l'horizon (Fig. 5).
La polarisation d'une onde céleste est imprévisible en raison de la rotation du plan de polarisation dans le plasma ionosphérique magnétisé par le champ magnétique terrestre. La présence d'ondes célestes au point de réception entraîne une erreur de radiogoniométrie, qui a reçu le nom spécial d'erreur « nocturne ». Pour comprendre comment cela se produit, essayons à l'aide de la Fig. 6 construire un diagramme de rayonnement volumétrique de l'antenne cadre. Si une onde 1 polarisée verticalement provient d'une direction horizontale selon un angle de f=90° et b=0°, alors la réception est maximale. Si vous augmentez l'angle b (vague 2 sur la figure 7), la force du signal ne changera pas, car le vecteur champ magnétique de l'onde H restera toujours parallèle à l'axe du cadre et le champ magnétique lui-même pénétrera dans son bobines. La réception sera maximale même lorsque l'onde tombe verticalement vers le bas, à condition que le vecteur H soit parallèle à l'axe du cadre. Ces considérations permettent de tracer un diagramme de rayonnement tridimensionnel du cadre en forme de tore (« donut »), posé sur l'axe du cadre. Naturellement, seule la moitié de ce tore s’élèvera au-dessus de la surface de la Terre, comme le montre la Fig. 6. Un tel schéma est donné dans de nombreux manuels sur les antennes. Le schéma présente un axe horizontal de réception minimale, coïncidant avec l'axe de la boite.
Le tableau change pour la vague 3 dont la direction d’arrivée coïncide avec l’axe du cadre. Une telle onde n'y induira pas de FEM, puisque le vecteur H est perpendiculaire à l'axe du cadre et que le champ magnétique ne pénètre pas dans ses bobines. Avec une augmentation de l'angle b, c'est-à-dire de l'angle d'arrivée de l'onde, le vecteur H restera dans le plan du cadre et sera perpendiculaire à son axe. La réception dans ce cas sera toujours absente ! Maintenant, il s'avère non pas un axe, mais un plan vertical de réception minimale, et l'axe du cadre se situe dans ce plan. Le diagramme de rayonnement volumétrique prend la forme de deux hémisphères situés de part et d’autre du cadre. Mais qu'en est-il d'une vague purement descendante - après tout, dans l'exemple précédent, elle était acceptée, mais maintenant elle ne l'est plus ? demandera le lecteur. C'est vrai, une simple onde incidente est acceptée si son vecteur H est parallèle à l'axe du repère, et non acceptée s'il lui est perpendiculaire. Ainsi, le cadre est sensible à la polarisation des ondes spatiales entrantes. Leur polarisation imprévisible conduit à un « maculage » des minima du modèle de directivité et à des erreurs de relèvement assez importantes. Les antennes-cadres sont petites, de conception simple et présentent de nombreux autres avantages. L'impédance de la bobine de boucle étant inductive, elle peut être réglée pour résonner avec les fluctuations du signal reçu en ajoutant simplement un condensateur variable. Le circuit oscillant résultant, d'une part, augmente l'amplitude du signal reçu et, d'autre part, supprime les signaux des stations inutiles fonctionnant à d'autres fréquences, c'est-à-dire augmente la sélectivité du récepteur. Un autre avantage du cadre est qu'il répond à la composante du champ magnétique, tandis que le champ proche des interférences des réseaux à fréquence industrielle contient le plus souvent la composante électrique prédominante. Ainsi, la réception sur une antenne cadre magnétique en milieu urbain est généralement plus résistante au bruit que sur les antennes électriques, dipôles et filaires. Il n’y a pas une telle différence dans les zones rurales. Et encore une chose : la composante magnétique de l'onde radio pénètre au moins un peu à l'intérieur des bâtiments, par fractions de longueur d'onde, mais toujours plus profondément que la composante électrique. Par conséquent, il est préférable de rendre les antennes intérieures magnétiques. Les propriétés directionnelles du cadre permettent dans de nombreux cas d'éliminer ou de réduire les interférences si la source d'interférence est localisée et que les ondes radio parasites proviennent d'une direction spécifique. L'axe de réception minimale de la trame doit dans ce cas être dirigé vers la source d'interférence. Dans ce cas, le signal utile pourra également être atténué, puisque la direction de son arrivée ne correspondra plus au maximum du diagramme de rayonnement, cependant le rapport signal sur bruit pourra s'améliorer significativement. Pour le vérifier en pratique, allumez un récepteur portable doté d'une antenne magnétique en ferrite (ses propriétés sont similaires à celles d'un cadre). Placez ensuite le récepteur à proximité d'un téléviseur ou d'un ordinateur en état de marche (sources d'interférences importantes) et essayez de tourner le récepteur dans vos mains pour changer l'orientation de l'antenne magnétique. Dans certaines de ses positions, les interférences seront considérablement affaiblies. Auteur : V. Polyakov, Moscou
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