¿Cómo encuentran las posiciones nulas del ADF dónde está el NDB?

Respuesta corta

¿Encuentra la posición nula y luego asume que está a 90 grados de la baliza?

Eso es correcto. Para el patrón de antena que se muestra en la pregunta, el ángulo entre la dirección de los nulos y los picos es de 90°. Al detectar un nulo (o un pico), hay dos direcciones posibles y opuestas para la baliza. Esta ambigüedad tiene que ser eliminada. Esto podría hacerse por triangulación , con una segunda lectura del ángulo de llegada después de que el receptor se haya movido un poco, pero en la antena ADF moderna esto no es necesario, se agrega una antena sensora a la antena de cuadro para cambiar el patrón de radiación ( es decir, la sensibilidad frente al acimut):

^{Diagrama de radiación de la antena de cuadro y del sistema de antena de cuadro + detección (medido en un plano horizontal)}

Con la antena sensora, el nulo está a 180° del pico y no hay ambigüedad. Sin embargo, el rendimiento del sistema se ve degradado por la antena de detección, por lo que normalmente se realizan dos medidas, sin la antena de detección (para obtener la máxima precisión) y con la antena de detección (solo para eliminar la ambigüedad). Ver más abajo para los detalles.

La razón por la que preferimos detectar la dirección nula es que la señal recibida se desvanece a una velocidad mayor cerca del nulo que su intensidad aumenta cerca del pico. Siendo el cambio más pronunciado cerca del nulo, detectar el nulo es más fácil y proporciona una mayor precisión.

Las ondas electromagnéticas simplemente

Contrariamente a lo que se suele pensar, los principios clásicos de alto nivel detrás de las ondas EM, que explican cómo puede funcionar la antena de cuadro, son bastante fáciles de resumir.

La representación muy común de una onda EM:

^{Componentes eléctricos y magnéticos de una onda EM. Fuente}

Una onda se propaga en el espacio 3D y sus campos eléctricos y magnéticos no son disociables, son un solo campo electromagnético cuya energía es transportada por fotones (aunque según Richard Feynman , las fuentes EM no producen partículas u ondas físicas, sino " probabilidades " ondulatorias). amplitudes "que se propagan en c en el espacio . ¡ QED ! Bueno... ¡quedémonos con los viejos y buenos fotones!).

Un transmisor NDB es un generador eléctrico que genera una corriente alterna en un conductor vertical básico cuya longitud se modifica para que resuene a la frecuencia utilizada (es una antena dipolo ). Tres leyes gobiernan entonces lo que sucede:

• La ley de Ampère-Maxwell dice que 1/ la corriente vertical crea un campo magnético circular alrededor de la antena (idea inicial de Ampère). La intensidad de campo sigue la variación de la corriente, 2/ lo mismo ocurre con un campo eléctrico en lugar de una corriente (adición de Maxwell).

• La ley de inducción de Faraday dice que un campo magnético variable crea un campo eléctrico. Este campo se opone al flujo magnético que lo creó según la ley de Lenz . La ley de Lenz es una especie de principio de reacción.

Entonces, la corriente alterna crea un campo magnético variable. La energía del campo magnético proviene de la corriente en la antena.

Como el campo magnético es variable, usando alternativamente las dos leyes anteriores, vemos que cuando varía un campo magnético se genera un campo eléctrico variable. Cuando un campo eléctrico varía, se genera un campo magnético variable.

La energía del campo eléctrico proviene del campo magnético, como se postula en la ley de Lenz : El campo eléctrico se opone a los cambios del campo magnético, por lo tanto, es una fuerza, también conocida como fuerza contraelectromotriz (back-emf).

Lo bueno es que solo se requiere una corriente real (electrones) para generar el campo magnético inicial, los campos magnéticos posteriores se deben a los campos eléctricos, sin depender de un conductor y/o electrones para expandirse:

^{Campos eléctricos y magnéticos generados desde un punto de una antena vertical en una dirección dada}

De izquierda a derecha: se crea una corriente en la antena del transmisor. Si nos enfocamos en cualquier punto de la antena, la corriente local crea un campo magnético alrededor del punto. Este campo induce ahora bucles verticales de campo eléctrico, cada bucle crea a su vez un nuevo campo magnético, y así sucesivamente.

Los dos campos, normales entre sí, son los dos aspectos inseparables del campo electromagnético. Existen al mismo tiempo, y el proceso de repetición conduce a su propagación como onda. Como los campos no tienen masa, pueden viajar a la velocidad de la luz.

Este proceso ocurre en el espacio 3D, vemos capas concéntricas de campo eléctrico que irradian desde toda la longitud de la antena, y entre estas capas el campo magnético que une las capas:

^{Imagen fija de campos eléctricos y magnéticos. Fuente (animación).}

Falta el campo eléctrico en la parte superior e inferior de la antena, podemos predecir un "cono de silencio" en la vertical de algunas radioayudas que utilizan antenas verticales.

La onda cruza conductores mientras se expande. Un conductor actúa como una antena de recepción. Dependiendo de la capacidad del conductor para acoplarse más o menos fuertemente con los campos eléctricos y/o magnéticos, una parte determinada de la energía de los campos se convierte de nuevo en corriente, en virtud de las mismas leyes reversibles.

Principio ADF

El receptor ADF utiliza una antena de bucle pequeño (la circunferencia es pequeña en comparación con la longitud de onda), cuyo principio es detectar el campo magnético de la onda, la antena es en realidad una bobina.

Esta antena de cuadro es inusual en el sentido de que las antenas receptoras generalmente se acoplan con el campo eléctrico de la onda. Sin embargo, la detección del campo magnético es eficiente en las frecuencias más bajas y para aplicaciones de radiogoniometría.

¿Cómo se crea la posición nula? ¿No se seguiría recibiendo la señal en esa posición, cómo se vuelve nula?

Correcto, la señal llega a la antena con la misma intensidad media , independientemente de la orientación.

Veamos un ejemplo de la vida cotidiana: Escuchar un sonido sin ver la fuente no nos impide determinar su dirección . A menos que el sonido venga de frente o de atrás, un oído recibe el sonido primero, lo mismo para cualquier reflejo, nuestro cerebro hace el resto. Además, nuestro pabellón auricular no es simétrico, esto también permite separar un sonido frontal de un sonido posterior a la misma distancia, o uno bajo de uno alto. Esta localización es independiente de la intensidad media de los sonidos.

Asimismo, la antena de cuadro reacciona al resultado combinado de amplitudes instantáneas en todos los puntos de la antena. De acuerdo con la ley de inducción, dos puntos del bucle que reciben la señal con una diferencia de fase debido a la diferencia de distancia del transmisor (lado izquierdo abajo) estarán a un potencial diferente, creando una corriente en el conductor entre estos puntos:

^{Antena ADF que detecta campo magnético NDB (no a escala)}

Por otro lado (lado derecho), cuando el plano del bucle es normal a la dirección de la onda, cada punto del bucle recibe el campo magnético con la misma intensidad, no se crea back-emf, no se mide la diferencia de potencial, no circula corriente, esto es un nulo.

• Tenga en cuenta que la antena es en realidad mucho más pequeña que la longitud de onda y la diferencia de fase es muy pequeña. Pero la antena de cuadro es una bobina, es fácil tener múltiples vueltas de cable, cada vuelta "recolectando" una cantidad adicional del campo magnético. Sin embargo, como la impedancia creciente cancela en parte esta ganancia, se debe encontrar un compromiso razonable.

El "receptor LW/SW" con una antena de bobina de ferrita (una bobina cuya inductancia está reforzada por una varilla de ferrita) debe orientarse en la dirección de la estación para maximizar la recepción.

Tasa de variación de la ganancia

Anteriormente mencionamos el patrón de radiación de una antena, que es una representación de su ganancia relativa según la dirección. Para la antena de cuadro:

^{Diagrama de radiación de la antena de cuadro (línea de puntos para el plano vertical). Fuente}

La ganancia se proporciona en decibelios , que es el logaritmo de la relación entre la intensidad en la dirección considerada y la intensidad en la dirección del máximo. En principio el máximo es 0dB (100%) y el resto de valores son negativos (menos del 100%).

Al mirar las indicaciones en verde, la caída en la energía recibida (la nula) cerca de +/- 90° es más estrecha que el pico cerca de 0°/180°. Esto nos habla de la tasa de variación de la sensibilidad:

• La señal es máxima a 0°, pero varía solo menos de 2 dB (1,2x) en un rango de 60° alrededor del máximo.

• La señal varía en más de 30 dB (31x) por solo 30° alrededor del mínimo/cero.

Significa que será más preciso determinar la dirección del nulo en lugar de la dirección del pico (que es la dirección del transmisor). Este es el caso de muchos tipos de antena: Los nulos son más pronunciados que los máximos.

Antena de cuadro con antena sensora

Hay un problema con la antena de cuadro: tiene un patrón de radiación simétrico, cuando se encuentra un nulo, todavía hay dos posibles direcciones opuestas para el transmisor. La solución es utilizar un elemento adicional, la antena sensora, que es una antena con la misma sensibilidad independientemente del acimut. Se dice que es omnidireccional y suele estar acoplado con el campo eléctrico. Las dos antenas se pueden combinar de tal manera que el patrón resultante tenga forma de corazón (cardioide):

^{Diagrama de radiación de la antena de cuadro combinado con la antena sensora}

Un lóbulo de la antena de cuadro (aquí en azul) se suma a la antena de detección, el otro se resta de la antena de detección, creando una disimetría de ganancia.

La ambigüedad ya no es posible. El nulo ahora es opuesto al máximo, mientras que ellos estaban a 90 ° antes de agregar el elemento de sentido. Cuando se ha determinado la dirección nula, la dirección NDB es exactamente la opuesta.

Volviendo al campo del audio, este sistema de antena es muy similar a la técnica de ingeniería de sonido llamada MS estéreo que usa un micrófono mono (medio) y uno estéreo (laterales), aunque esta técnica es válida solo para un rango de azimut de 180°.

El procedimiento habitual para determinar la dirección es:

• Primero encuentre un nulo con la antena sensora apagada, porque la antena sensora suaviza la caída nula en el patrón de radiación. Esto da la dirección con una ambigüedad de 180°.

• Realice una segunda medida, pero aproximada, con la antena sensora encendida para eliminar la ambigüedad.

Antena ADF moderna

En el ADF moderno, la antena no gira para determinar la dirección del NDB. En cambio, el sistema de antena es una combinación de múltiples antenas fijas. La dirección de llegada de la señal se determina detectando el tiempo de llegada en las diferentes antenas individuales. Como la hora de llegada es realmente difícil de determinar sin un reloj preciso, se utiliza la diferencia de fase de la señal, como se explica en esta otra pregunta:

Dado que los receptores ADF modernos no giran, ¿cómo funcionan?

Una realización práctica:

^Fuente