80米无线电测向机设计.docx

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80米无线电测向机设计

摘要

无线电测向即是根据无线电波在空气中传播的特点——直线传播，利用无线电测向机来判断出发射机的位置的过程，航海、航空的导航系统，都是依靠电子技术的无线电测向原理。

无线电测向接收机的电路程式和外形结构等种类繁多，但不论在任何频段上工作或任何型式的测向机，它的组成都可以大致分为测向天线、收信机和指示器三部分。

测向天线可以将在空间传播的电磁波能转化为高频电能输送到接收机，利用磁性天线与环形天线的方向性可以确定无线电台的方向。

测向接收机主要由放大器、检波器、变频器等部分组成。

该部分可对测向天线送来的感应电势进行放大、解调等各种处理，使天线信号变成指示器所需要的信号，用以判断电台方向。

关键词：

无线电测向；接收机；天线方向性

Abstract

Thewirelessmeasureisaprocessofjudgingthepositionoftheshootmachinebymakinguseofthewirelessmeasuremachine,accordingtothecharacteristicofthespreadoftheelectricwaveintheair---thestraightlinedissemination.Thenavigationsystemofthevoyage,aviation,alldependsonthisprinciple.

　　Thewirelessmeasurereceiverhasvariouselectriccircuitprogramsandtheshapestructure.However,nomatterwhichpatternitworksinandnomatterwhichkindofmachineitis,usuallyitconsistsofdirection-measureantenna，receivermachineandindicator.Thedirection-measureantennacantransfertheelectricmagneticwavewhichspreadsinthespaceintotheelectricpowerofhighfrequency,andtransporttothereceiver.Itmakesuseofthemagnetismantennaandthewreathformantennadirectiveandcanmakesurethedirectionoftheradiostation.Mainlythedirection-measureiscomposedofenlarger,detector,andfrequency-changemachine.Thispartcanenlargeandadjusttheelectricityfromthedirection-measureantenna,makingtheantennasignalbecomethesignalthattheindicatorneeds,judgingthedirectionofthebroadcastingstation

Keywords:

Thewirelessdirection-measure,Receive,thedirectivenessoftheantenna

1引言

无线电事业的飞速发展，给我们的生活提供了极大的便利，但同时，电磁破坏也就变得更加复杂，无线电干扰的情况也时有发生。

无线电干扰是指在无线电通信过程中发生的，导致有用信号接收质量下降、损害或者阻碍的状态及事实，它可以对无线电通信所需接收信号的接收产生影响，导致性能下降，质量恶化，信息误差或丢失，甚至阻断了通信的进行。

所以在出现无线电干扰后，就要利用无线电监测、测向设备测定电波辐射源的方向，查找无线电信号干扰源是无线电测向技术最重要的应用之一。

无线电测向技术并不是一门新学科。

早在二十世纪初期，无线电测向就已应用于航海的导航。

航行在一望无际、茫茫大海上的舰船，可以根据测向机的测出的陆地发射台的方向线，来确定该船的航向或定出该船的方位。

这与过去的天文定位法相比，具有操作简单、定位准确、成本低、不受天气影响等优点。

无线电测向技术也广泛的应用于航空导航、定位，侦破敌特电台，寻找伤员、空降物等方面。

而现在，它早已突破导航和局势的应用范畴，在科研、救灾和工农业生产等各个领域大显身手。

2概述

2.1无线电基础知识

2.1.1无线电波的概念

如果给导线通上交流电，导线的周围就回产生变化的磁场，变化的磁场周围又产生变化的电场，变化的电场周围又产生变化的磁场。

电场和磁场交替产生并向四周传播，就形成无线电波，也叫电磁波。

电磁波在日常生活中无时不在无刻不在，从物理学的角度看，电磁波是电磁场的一种运动形态。

电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以电磁波也常称为电波。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。

他断定电磁波的存在，并推导出电与光具有同样的传播速度。

1887年德国物理学家用赫兹用实验证实了电磁波的存在。

之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。

按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。

如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。

电磁波被发现后，人们使用了多种名词和方式来叙述及表达它，其中频率或者波长是表达一个电磁波其内在性质的重要单位，前者指的是电磁波在一秒钟内电磁波振动方向改变的次数，而波长则是电磁波的另一个表达单位，指的是电磁波每个周期的相对距离，它可以通过电磁波的传输速度除以频率算出。

低频率的电磁波有着较长的波长，较高频率的电磁波有着较短的波长。

如果以频率来表达具体的电磁波，其单位有Hz（赫）KHz（千赫）MHZ（兆），他们之间的关系是1MHz=1,000KHz=1000,000Hz。

人们发现了电磁波之后，利用它发展了无线电技术，电磁波给人类社会带来了深刻而又巨大的变化，由此开辟了电子技术的新时代。

今日的天空，已充满了各种人为或自然的，频率不同、功率不同、包含信息各异的电磁波。

频率从几十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波长从几十Mm到0.1mm左右）频谱范围内的电磁波，称为无线电波。

电波旅行不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。

发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程，就称为无线电波的传播。

2.1.2无线电电波的划分及用途

无线电波按波长的不同分成长波，中波，短波，超短波等。

不同的波段有不同的用途。

例如，中波段的150KHZ—415KHZ（波长2000米—723米）和550KHZ—1500KHZ（波长545米—200米）规定专门用来做中波广播，超短波和分米波的48.5MHZ—100MHZ，174MH—216MHZ和470MHZ—960MHZ专门用来做电视广播，短波的3.5MHZ—4MHZ，7MHZ—7.3MHZ，14MHZ—14.35MHZ，21MHZ—21.45MHZ，26.96MHZ—27.23MHZ和28MHZ—29.7MHZ专门用来做业余通信。

无线电波按波段划分和他们的用途见表2.1

波段

波长

频率

主要用途

长波

30000--3000M

10—100KHZ

超远程无线电通信和导航

中波

3000—200M

100—1500KHZ

无线电广播

中短波

200—50M

1500—6000KHZ

电报通信，业余者通信

短波

50—10M

6—30MHZ

无线电广播，电报通信，业余通信

米波

10—1M

30—300MHZ

无线电广播，电视广播，无线电导航，业余通信

分米波

1—0.1M

300—3000MHZ

电视广播，雷达，无线电导航，无线电接力通信

厘米波

0.1—0.01M

3000—30000MHZ

毫米波

0.01—0.001M

30000—300000MHZ

表2.1无线电波段划分和主要用途

2.1.3电波主要传播方式

电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。

   任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。

传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。

根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：

（1）地表传播

对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。

当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。

那些走直线的电波就过不去了。

只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。

地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。

其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。

因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。

（2）天波传播

声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。

无线电波也能够反射。

在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。

在电波中，主要是短波具有这种特性。

（3）视距传播、散射传播及波导模传播

视距传播是指：

若收、发天线离地面的高度远大于波长，电波直接从发信天线传到收信地点（有时有地面反射波）。

这种传播方式仅限于视线距离以内。

目前广泛使用的超短波通信和卫星通信的电波传播均属这种传播方式。

   散射传播是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现超视矩传播。

这种传播方式主要用于超短波和微波远距离通信。

   超短波的传播特性比较特殊，它既不能绕射，也不能被电离层反射，而只能以直线传播。

以直线传播的波就叫做空间波或直接波。

由于空间波不会拐弯，因此它的传播距离就受到限制。

发射天线架得越高，空间波传得越远。

所以电视发射天线和电视接收天线应尽量架得高一些。

尽管如此，传播距离仍受到地球拱形表面的阻挡，实际只有50km左右。

   超短波不能被电离层反射，但它能穿透电离层，所以在地球的上空就无阻隔可言，这样，我们就可以利用空间波与发射到遥远太空去的宇宙飞船、人造卫星等取得联系。

此外，卫星中继通讯，卫星电视转播等也主要是利用天波传输途径。

   波导模传播电波是指：

在电离层下缘和地面所组成的同心球壳形波导内的传播。

长波、超长波或极长波利用这种传播方式能以较小的衰减进行远距离通信。

   在实际通信中往往是取以上五种传播方式中的一种作为主要的传播途径，但也有几种传播方式并存来传播无线电波的。

一般情况下都是根据使用波段的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。

2.1.4无线电波传输媒质对传输的影响

无线电波实际上是在各种空间场所内（如沿地表面，电寓层等）传播的。

在传播过程中，各种媒质必然要对所传输的电信号产生影响。

此外，由于某些媒质的电参数具有明显的随机性，使得通过它传输的电信号也是一个随机信号，故必须考虑实际媒质对电波传播的影响。

（1）传输损耗

   无线电波在媒质中传播是有能量损耗的。

这种能量损耗可能由于大气层对电波的吸收或散射引起，也可能由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起。

这些损耗都会使收信点的场强小于发信点的场强。

（2）衰落现象

   所谓衰落，一般是指信号电平随时间的随机起伏。

它一般分为吸收型衰落和干涉型衰落两种。

   （a）吸收型衰落它是指衰落主要是由于传输媒质电参数的变化，使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的（例如水汽、雨雪等都对无线电波能量有吸收作用）。

由于天气情况是随机的，则吸收强弱也有起伏，形成信号的衰落。

   （b）干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。

在某些传播方式中，收、发两点之间信号有去干条传播途径，由于传输媒质的随机性，使得到达收信点的各条途径的时延随机变化，则合成信号的幅度和相位都发生随机起伏。

信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和通信系统可靠性。

（3）传输失真

   无线电波通过媒质传输还会产生失真（振幅失真和相位失真）。

产生失真原因一般有两个：

一是多径传输效应，另一是媒质的色散效应。

   （a）多径传输效应多径传输会引起信号畸变。

这是因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的途径到达收信点，收信天线检拾的信号是几个不同途径传来的电波场强之和。

由于途径长度有差别，它们到达收信点的时间延迟不同，若多径时延过大，则会引起较明显的信号失真。

   （b）色散效应它是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。

载有信息的无线电信号总占据一定频带，当电波通过媒质传播到达收信点时，由于各频率成分传播速度不同而不能保持原信号中的相位关系，引起波形失真。

 （4）干扰与噪声影响

   任何一个收信系统的最小可用信号电平是由系统的噪声（又称噪音）电子决定的。

尤其在发信功率受限制的情况下，由于无线电波传输损耗较大，信号很微弱，此时噪声对无线电信号接收有非常重要的影响。

   噪声可分为三类

   （a）热噪声它是由导体中带电粒子在一定温度下的随机运动引起的。

   （b）串噪声它是由调制信号通过失真元件引起的。

   （c）干扰噪声它是由本系统或其它系统在空间传播的信号或干扰引起的，这主要指环境噪声的干扰。

   当载有信息的无线电波在信道中传播时，由于信道内存在着许多电磁波源，它辐射的电磁波占据极宽的频带并以不同的方式在空间传播。

这些电磁波对这一通信系统而言，就称为环境噪声干扰或外部干扰。

环境噪声的来源是多方面的，可分为人为噪声干扰和自然噪声干扰，前者包括通信电子干扰和各种电气设备产生的干扰，后者则包括天电干扰，大气干扰等。

2.2无线电测向的应用

20世纪初，无线电测向仪被使用，因为体积较大，只用于航海；40年代，德国研制成功小型测向仪，装在飞机上，利用伦敦广播电台的电磁波导航，对伦敦进行了轰炸。

二次大战末期，美国曾组织了一个大范围的无线电测向网，监视德国的潜艇，指引反潜飞机对其进行轰炸。

在反间谍斗争中，利用测向技术可以破获敌台。

在战争中，无线电测向技术是一种重要的侦察手段，了解敌方指挥中心、部队的配置和调动等。

有的国家在军队中，专门设有无线电测向部队。

交战双方研究和改进测向设备特别是机载设备，有力的推动了无线电测向技术的发展。

由于军事上的需求，使测向设备、技术等得到了长足的发展。

当今军事装备相当先进的美国空军飞行员，还在救生设备中装备着用于空难坠地后，为营救人员精确定位用的小型测向发射电台。

 无线电测向技术在和平建设时期应用也就更广泛了。

它被用于交通、天文、气象、环保、救灾中，可以用于检查高压配电系统中瓷瓶漏电；用于监测陆上和海上动物的行踪，以便对珍稀动物进行保护。

如：

对国宝大熊猫、对鲸鱼的监护等。

在我国发射的"神州号"无人太空仓坠地后，它不断的发射着无线电信号，航天科研人员利用测向定位技术将它找到。

 无线电测向作为竞技运动渐渐从实际应用及军事中分离出来，形成了无线电测向运动。

无线电测向到底是一项什么运动呢？

它类似于捉迷藏的游戏，但它是用手中的测向机运用测向技术寻找自动发射电台（也叫狐狸台，是裁判事先在比赛场地藏好的）的运动，看谁找到的电台多，用的时间少，谁就取得胜利。

2.3短波测向的特点

短波通信的特殊性决定了短波测向具有下述特点：

a.信号密集度高：

由于短波远程通信的经济性，世界很多的拥护都建立了专用的通信网络，加上短波波段的频率资源有限，因此信号的拥挤程度远高于VHF/UHF波段。

调查表明，当接收信道带宽为3KHz时，在1/5～1/3的短波传输信道内可同时收到2个以上的信号。

可以这样讲，只要频率适当，你可以收到全世界任何地方的短波信号，即是说对于一个短波测向站来讲，它面对的是整个世界的信号（这与VHF/UHF测向站不一样，它仅面对某一地域的信号）。

在这样的环境中运行的短波测向站，将对设备的抗干扰能力和非线性技术指标提出较高的要求。

b.接收场强差别大:

由于用途各异，短波电台幅射功率千差万别，小的数W，大的数10kW。

在接收处的场强差别极大（在接收机输入端电压的振幅差别在70dB以上）。

即使是同一个发射源，经电离层反射后，因“多径效应”产生的干扰衰落和极化衰落，在接收处的场强变化亦高达数百倍。

为保证正常工作，将对接收设备的灵敏度和动态范围提出较高的要求。

c.存在测向静区：

测向站实质上是一个接收站，只是使用了定向天线系统或其它定向技术，才具有了对无线电的定向能力。

从短波通信的特点简介中知道，通信双方存在接收静区。

在静区内既收不到表面波也收不到空间波，而且静区随着使用频率的升高而扩大。

同理，测向站也存在测向静区。

如果被测电台的使用频率使某测向站处于该电台的通信静区内，那么这个测向站就不能对该电台进行有效的定向。

因为，它收不到该电台的信号，极有可能在该频率点上收到的是其它电台的信号。

这就是为什么在短波侧向中，因测向站位置不同，有的测向站能对某电台有效定向，有的就无法定向或是进行了错误的定向的原因。

为避免这种现象的出现，组网时必须注意各测向站的有效作用区。

d.示向度游动较大:

由于电离层的扩散反射和磁离子分裂现象，使无线电波以不同的途径到达接收地点，形成多径接收，产生电波干涉。

在理想的情况下（即无电波干涉时），波前面是一条与传播方向垂直的直线。

我们在地点A、B处，使用小基础测向设备测向，可得到相同方向的示向度（示向度的指向是与波前面垂直的方向，即电波传播方向），如图2.1所示。

当存在电波干涉时，波前面变成一条曲线（曲线的变化周期与振幅和干涉波的方向，强度等参数有关）。

如果我们仍在A、B处使

用小基础测向设备测向，得到的是不同的示向度（时间T1的示向度）如图2.2所示。

由于电离层的传播参数不稳定，主波和干涉波的参数也是不稳定的，因电波干涉形成的波前面的形状是随时间的变化而变化。

这时，测向站的示向度必然是游弋不定的。

为减少示向度游动带来的测向误差，可采用大基础测向设备或小基础空间分集测向设备，并尽量增加测向时间和测向次数，使用尽可能多的取样，作优化处理（即所谓的时间分集）从而得出准确的来波方向。

电波传播方向

波前面

AB

图2.1无干涉波时测向状态

干涉波方向主波方向

波前面

AB

图2.2干涉波存在是的测向状态

3测向接收机的工作原理

3.1概述

发信设备向空间发射无线电波，而接收设备与它相反，先从空间无限电波中获取能量，经过接收机还原成低频信号，在推动耳机或其他的终端设备，这样完成整个的无线电通信过程。

无线电接收设备应包括三大部分，即接收天线、接收机和终端机件。

接收天线的作用是从空间的电磁波中获取高频信号能量，并将它变成高频电动势或高频电流，输送到接收机的输入端。

接收机的作用是选择有用的高频信号，并进行放大和频率变换，最后变成低频信号电压或电流，推动终端机件工作。

终端机件将低频信号功率变成原来的声音或图像。

收音机和收报机的终端机件可以使耳机或喇叭。

图像接收机的终端机件事显示器，如电视机的现象管。

尽管接收机的种类很多，用途各异，然而它们必须完成选择信号、解调信号和放大信号三个基本任务。

接收机按不同的分类方法，可以分为下列几种：

按接收信号的调制方式可以分为：

调幅、调频、单边带接收机等。

按工作频率分为：

长波、中波、短波、超短波、微波等接收机。

按工作程式分为：

直接检波式、高频放大式、超外差式接收机。

3.2外差式接收机方框图

无线电收信机的种类很多，组成也各有不同。

目前，除了调制方式不同的解调方法外，大都采用超外差电路，下面主要讨论超外差收信机的组成方框。

3.2.1直接检波式和高频放大式接收机

图3.1所示为直接检波式接收机组成方框图。

他将天线送来的高频信号，经过输入电路的选频后，直接对高频信号检波，再浸过低频放大，输出至终端机件。

图的上部为各级的输出信号的波形。

图3.2所示为高频放大式接收机组成方框图。

从天线上来的高频信号经过输入回路的选频，送至高频放大器放大，再进行检波，然后要进行低频放大，最后输出到终端机件。

图的上部为各级的输出信号的波形。

图3.1直接检波式收信局的组成方框图

图3.2高频放大式收信机组成方框图

3.2.2超外差接收机

超外差接收机是在高频放大式收信机的高频放大器和检波器之间，加入了变频器和中频放大器的接收机。

图3.3所示为超外差接收机的组成方框图。

变频器的作用是把送来的高频调制信号，变换成载波频率较低的中频调制信号，变频的过程中，只是载波频率的变化，而调制信号的外沿包络形状不变。

通常中频是一种较低的高频，当接收有用信号的频率改变时，中频频率一般为固定不变的。

在一次变频的超外差接收机中，民用接收机的中频频率我国选为465千赫。

中频放大器是用来放大变频后的中频信号，由于中频频率是固定的，所以在接收机的实用过程中，中频放大器不必调谐，因而可以采用多极中频放大器，提高接收机整机的增益。

检波器的输入为中频调幅信号，输出为低频信号。

图3.3的上部画出了超外差收信机各部分输出信号的波形。

图3.3超外差接收机组成方框图

超外差接收机的一个重要特点就是把高频信号变换成中频信号再进行放大。

中频信号频率固定，而且比输入信号的频率略低（我国广播接收机的中频采用465KHZ），这就便于得到倍数较高而且稳定的放大作用，有效地提高了接收机的灵敏度。

另一方面，中频频率不变，使接收机的中频放大器有可能采用高质量的调谐回路，从而获得良好的选择性。

因此，外差式接收机无论其灵敏度还是其选择性都比直接放大式优越得多。

3.3接收机主要性能指标

为了衡量接收机的性能优劣，总要对接收机提出各种性能指标。

其中有电器性能、机械性能等指标，这一节主要讨论电器性能指标[1]。

（１）灵敏度

灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。

灵敏度高，说明接收微弱信号输出功率不同，而且任何接收机总有噪声和信号同时输出，所以在定义接收机的灵敏度时，必须考虑输出信号功率和噪声的大小。

通常我们把输出的信号功率（或电压）与输出噪声功率（或电压）的比值称为信号噪声功率（或电压）比，简称信噪比。

实际的灵敏度定义为：

接收机满足一定得输出功率和信噪比的条件下天线上所需的最小感应电势，成为接收机的灵敏度。

为了得到高的灵敏度，必须提高接收机的放大倍数，放大倍数越大，得到同样的输出功率，天线上的感应电势越小。

但是不能通过无限制地提高放大倍数来提高灵敏度。

任何一部接收机都存在着