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3.5MHz和144MHz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的爱好者位置。
笔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。
笔者在测试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爱好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
除50MHz外,VHF/UHF业余频段通信虽然也有用SSB、CW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。