Radioantenner och lober

 

I det följande hänvisas flera gånger till "huvudartikeln". Med detta menas min artikel om radiofyrar och speciellt avsnitten om localizer och ils. Länken öppnar artikeln i en ny flik eller ett nytt fönster och det kan vara lämpligt att ha denna artikel öppen under genomläsandet av nedanstående.

Avsikten med föreliggande artikel är att förklara begreppet lob för att ge en djupare förståelse av hur radionavigeringssystem fungerar. Som vanligt strävar jag efter att allmänbilda mina läsare, varför jag tar med lite perifert stoff.

Antenner används både för sändning och mottagning. En antenn kan bestå av en enkel kopparlina eller -tråd av varierande längd. Ett metallspröt (horisontellt eller vertikalt) kan också fungera som antenn. Ibland har man betydligt mer komplexa konstruktioner med reflektorer och metallstavar, vars längder är noggrannt uträknade utifrån de frekvenser som antennen skall arbeta på. En sändarantenn omvandlar den växelspänning som kommer från sändaren till elektromagnetiska vågor, vilka utbreder sig från antennen med ljushastigheten. När en antenn används för mottagning, omvandlar den elektromagnetiska vågor (i allmänhet svaga) i antennens omgivning till växelspänning, vilken via antennkabeln överförs till mottagaren (där den sedan förstärks och avkodas).

En antenn kan vara optimerad för en viss frekvens (t ex fasta radiolänkar) eller ett visst frekvensområde (hf, vhf etc). Antenner som skall täcka större frekvensområden blir mindre effektiva (dvs kräver starkare sändare alternativt bättre mottagare) och/eller blir väldigt komplexa.

Den enklaste antennen utgörs av en trådantenn, dvs en metalltråd (elkabel, kopparwire etc) som man t ex hänger ut genom fönstret. En ganska bra och enkel antenn av denna typ är en s k long wire. Den består av en flera meter lång (ju längre desto bättre) horisontell ledare som hänger mellan två isolatorer. I ena änden, eller nära ena änden, ansluts antennen till sändaren och/eller mottagaren. Sådana antenner användes mycket förr när det var vanligt att lyssna på kortvågsradio. På den tiden fanns mängder av stationer som på de olika kortvågsbanden (4 - 30 MHz) sände musik, nyheter, underhållning etc och som kunde höras över hela jorden (kortvågen har således global täckning — radiovågorna inom kortvågsbandet studsar mot elektriskt ledande skikt högt upp i jonosfären och når därför långt bortom horisonten). Kortvågen användes även för långdistanskommunikation mellan fartyg till sjöss/flygplan i luften och landstationer (för radiosamtal och radiotelegrafi och radiotelex). Numera går det mesta av den tidigare kortvågstrafiken via satellit eller fiber (satellitsamtal, e-mail, Skype, WhatsApp, Internet, webbradio etc).

En vertikal stavantennn avsedd för sjöfartens vhf-band (se nedan). De tre nedåtriktade "spröten" utgör ett s k jordplan. Den här typen av antenn måste egentligen placeras på marken för att fungera optimalt, samtidigt som man vill placera den så högt som möjligt för att få bästa räckvidd (ju högre antenn desto längre bort ligger radiohorisonten. Detta löses genom ett jordplan som så att säga flyttar upp markplanet till antennens nivå.

En annan vanlig antenntyp är den (vertikala) stavantennen. En sådan består i princip av en lodrät "pinne" av något ledande material, isolerad från underlaget. Stavantennens s k horisontella strålningsdiagram ser ut på följande sätt:

En vertikal stavantennns strålningsdiagram (sett ovanifrån)

Ett strålningsdiagram visar grafiskt, genom en kurva, hur en viss antenn strålar ut energi i olika riktningar (horisontellt eller vertikalt). Drar man en pil från antennens centrum i en viss riktning fram till strålningsdiagrammet, så blir strålningen i den riktningen proportionell mot pilens längd. Gällande en vertikal stavantenn så inser man utifrån symmetrin att denna i horisontell led måste stråla ut lika mycket energi i varje riktning. Alla pilar, oberoende av åt vilket håll de ritas, som dras från antennen fram till strålningsdiagrammet måste därför vara lika långa. Detta krav uppfylles uppenbarligen av en cirkel (med antennen i centrum), vilket således blir stavantennens horisontella strålningsdiagram (en cirkels medelpunkt har ju egenskapen att ha samma avstånd till varje punkt på cirkelbågen).

En antenn har både ett horisontellt och ett vertikalt strålningsdiagram. Beroende på anntennens användningsområde så är oftast ett av dessa diagram det mest intressanta.

Den verkliga effekten (uttryckt i t ex kW), som strålas ut, beror givetvis på hur stark den sändare är som är kopplad till antennen. Dessutom beror den på hur väl anpassad antennen är till sändaren. Vid missanpassning kommer större delen av effekten att "studsa" tillbaka till sändaren och inte stråla ut via antennen. En dåligt anpassad antenn kanske bara sänder ut 20% av den effekt som kommer från sändaren. Ofta används en antenntransformator mellan sändare och antenn för att få optimal anpassning (vilket innebär att sändarens utgång har samma impedans som antennen — impedans, kan lite löst kallas för "växelströmsmotstånd"). Antennteori är komplicerade saker och vi går inte in på detta. Jag kan dock nämna att en antenns fysiska längd har en direkt betydelse för en antenns effektivitet. Antenner som skall arbeta på ett visst frekvensband är ofta 1/4 eller en 1/2 våglängd långa (kvartsvågs- respektive halvvågsantenn).

En antenn kan användas både för att sända och ta emot signaler. I professionella sammanhang (där man ibland har sändare med mycket höga effekter) har man ofta separata sändar- och mottagarantenner. Det vanligaste är dock att sändare och mottagare är kopplade till samma antenn, alternativt att antennen enbart används för sändning (rundradio, radiofyrar) eller mottagning (vor-mottagare, rundradiomottagare). En antenns strålningsdiagram gäller både för sändning och mottagning. Den vertikala stavantennen är således lika känslig åt alla håll, när den används som mottagarantenn respektive sänder ut lika mycket åt alla håll när den kopplas till en sändare.

En vertikal stavantenn är lämplig om man vill sända sina signaler rundstrålande, dvs åt alla håll. Ordet "rundradio" kommer just från detta (broadcasting på engelska, kringkasting på norska, Rundfunk på tyska etc). Rundstrålande antenner används t ex om man placerar en rundradiosändare mitt i en stad. Ofta används vertikala stavantenner för vhf-radio när det gäller båtar och även flyg. Båten eller flygplanet man skall sända till kan oftast befinna sig i vilken riktning som helst relativt kust-/markstationens antenn. I andra sammanhang kanske man vill ha antenner med riktverkan (s k riktantenn), eftersom man då, genom antennen, kan koncentrera effekten i en viss riktning och därmed får den motagande stationen bättre signalstyrka (en vhf-antenn avsedd för komunikation med fartyg, och som står vid kusten, bör givetvis rikta signalen ut mot vattnet). Även vid mottagning är en riktantenn användbar i många fall. På så sätt bortfiltreras störningar som kommer från stationer, vilka sänder på ungefär samma frekvens som den station man kommunicerar med, men som ligger i andra riktningar.

Sjöfartens vhf-band ligger i området 156-174 MHz, vilket svarar mot våglängden ca 1,8 m. Stavantenner är ofta kvartsvågsantenner, dvs längden av en vhf-antennen bör då bli ca 45 cm (180/4). Skulle man kunna tro. Men riktigt så enkelt är det inte, som vi skall se i nästa stycke.
För den läsare som själv vill kunna räkna fram våglängd (L m) ur frekvens (f Hz) eller tvärtom så ges sambandet av c = f⋅L, där c är utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor, ofta kallad ljushastigheten (både ljus och radiovågor är exempel på elektromagnetiska vågor). Ljushastigheten i vakuum är 299 792 458 m/s. I luft är den ungefär densamma. I en antenn är emellertid utbredningshastigheten för elektromagnetiska signaler betydligt lägre än i vakuum — ca 0,7-0,9c. Om vi vill räkna mer exakt på en vhf-antenn kan vi antaga att signalernas hastighet i detta fall är 0,8c (vid verkliga beräkningar slår man givetvis, i en tabell, upp signalhastigheten i det material som antennen skall tillvarkas av) och som f väljer vi mitten av vhf-bandet, dvs 165 MHz. Våglängden blir då 1,45 m, dvs längden av en kvartsvågsantenn för vhf blir 0,36 m,

Riktantenner kan se ut på många sätt. En gammaldags tv-antenn är ett exempel. En parabol ett annat. Den tidigare på fartyg och flygplan så vanliga pejlantennen är en ytterligare.

Pejlantenn på en Douglas A-20 Havoc (ett bomb/attackplan från WW2). Antennen är av en typ som kallas "loop antenna". Navigatören satt under antennen och vred på en ratt i "taket" när han pejlade. På ratten fanns en kompasskala så att navigatören direkt kunde läsa av (kompass)bäringen till radiofyren. När flygplanen blev snabbare så byggde man in pejlantennen i en strömlinjeformad (droppformad) kåpa. Denna typ av antenn fanns förr på i stort sett alla fartyg och kommersiella och militära flygplan. Även idag kan man se loop antennas på många äldre handelsfartyg och fiskebåtar.

Följande bild visar en avancerad riktantenn modell större:

En s k logperiodisk dipolantenn med stark riktverkan, avsedd för kortvåg (4 - 30 MHz). Antennen är vridbar via en fjärrstyrd elmotor. Den här typen av antenner användes förr (och möjligen fortfarande) bl a till radiotelefonisamtal och radiotelextrafik med fartyg (man vrider då antennen mot det fartyg man kommunicerar med). Stora kommersiella radiostationer kan ha riktantenner med samma storlek som en tennisplan. Ju större antenn desto bättre riktverkan.

Strålningsdiagrammet hos en riktantenn kan se ut på följande sätt:

Exempel på horisontellt strålningsdiagram (dvs sett uppifrån) hos en riktantenn. De fyra (grova) pilarna visar relativa signalstyrkan (relativa känsligheten om antennen används för mottagning) i fyra valda riktningar (tredje pilen uppifrån är svår att se, eftersom den nästan sammanfaller med huvudlobens nedre del).

Den relativa signalstyrkan för en viss antenn, i en godtycklig riktning, fås (i enlighet med figuren ovan) genom att i antennens strålningsdiagram dra en pil från antennen till diagrammet (kurvan). Vi ser att antennen ovan strålar starkast (och är mest känslig vid mottagning) rakt fram (dvs åt höger i bilden). En riktantenn har den absolut största delen av sin utstrålning i huvudloben, vilken definieras som antennens riktning. Genom att göra antennen mer komplicerad (med fler element), och också större, kan man få huvudloben betydligt smalare. För en radar är det viktigt att huvudloben är så smal som möjligt för att man skall få bra vinkelupplösning. Detta gäller även localizers. En riktantenn har, förutom huvudloben, också sidolober (både horisontellt och vertikalt), vilka helst skall vara så små som möjligt. I fallet sändarantenn skall denna alltså sända ut så lite effekt som möjligt i sidoloberna och i fallet mottagarantenn skall känsligheten i sidoloberna vara så liten som möjligt. Att få bort dessa helt är inte möjligt.

För att mer i detalj förstå hur de olika radionavigeringssystemen fungerar är det nödvändigt att ha en grundläggande förståelse av detta med lober. Insikten att systemen har sidolober är mycket viktig för att man skall vara medveten om möjliga felkällor, speciellt när det gäller localizers och ILS (eftersom man har små marginaler när man använder dessa system).

Antennen till glidbanan på en flygplats någonstans i världen. Själva antennsystemet utgörs av tre separata, horisontella element monterade på en vertikal mast (masten är således inte antenn utan fungerar som stativ för antennelementen). Det lilla rödvitrutiga skjulet intill antennen inrymmer glideslopesändaren. Antennen placeras några hundra meter in relativt banan (för att undvika att planen landar kort, dvs sätter sig före banändan) och kanske 100 m vid sidan.

Den förklaring till hur localizer- och ILS-systemen fungerar, som ges i huvudartikeln, utgör en grov förenkling. I själva verket fungerar dessa system på ett betydligt mer avancerat sätt. Antennen som ger glidslopen sänder i själva verket ut två lober (på samma frekvens), varav den ena ligger över den andra (här är således det vertikala strålningsdiagrammet det instressanta). Radiovågorna i respektive lob (som ligger i området 329,15 - 335,0 MHz) är modulerade (överlagrade) med var sin låg frekvens (90 respektive 150 Hz). Detta med modulering skulle egentligen kräva en lång förklaring, men enkelt uttryckt kan man säga att de två loberna är "märkta" så att flygplanets ils-enhet kan skilja dem åt, ungefär som om man hade en röd och en vit signal.


Bilden visar det vertikala strålningsdiagrammet (dvs sett från sidan) för glideslopeantennen. De två loberna har modulerats med två olika, lågfrekventa signaler (90 och 150 Hz). GS står för Glide Slope. OM och MM är Outer respektive Middle Marker (se huvudartikeln). Bilden är aningen förenklad. I själva verket så går loberna in i varandra och nära och på glidbanan detekterar ils-enheten ombord båda loberna. Klicka på bilden ovan för att se en illustration av detta.

De två loberna går delvis in i varandra (klicka på bilden ovan för att se detta). Om flygplanets ils-system endast tar emot signalen modulerad med 90 Hz så vet systemet att planet ligger för högt. Tar systemet i stället enbart emot signalen modulerad med 150 Hz, ja då ligger planet för lågt. Ligger planet nära glidbanan kommer båda loberna in. I detta fall jämförs styrkan hos de två signalerna av mottagarenheten ombord. Ligger man för högt så är signalen med 90 Hz starkare och vice versa. Exakt på glidbanan är de båda signalerna lika starka. Genom att jämföra signalstyrkan från de två loberna ges också underlag för indikeringen av hur många dots (punkter) man ligger fel (dots förklaras i huvudartikeln).

Antennsystem till en localizer. Detta placeras oftast i bortre banändan (så långt från banändan att antennerna inte interfererar med flygplan som landar från det hållet). Ibland placeras localizern snett, eftersom terrängen omöjliggör direkt inflygning mot banan (man måste således göra en sväng på slutet). Man säger då att localizern har en offset.

En localizer fungerar på precis samma sätt, dvs med två lober som i detta fall ligger bredvid varandra, modulerade med 90 respektive 150 Hz. Localizersystemet fungerar således på ett helt annorlunda sätt än vor-systemet (se huvudartikeln), trots vissa likheter i själva handhavandet, och det enda dessa två system har gemensamt är att de använder radiovågor.

Genom ovanstående teknik får localizer och glideslope (ofta används termen "glide path" för den senare) tillräcklig noggrannhet för att möjliggöra precisionslandningar under mycket dåliga väderförhållanden.

En yrkespilot bör, som nämnts ovan, känna till begreppet sidolober. Både localizer och glideslopesändare har sidolober. För glideslopeantennen är det vertikala strålningsdiagrammet och dess sidolober det intressanta (de två vertikala huvudloberna generar glidbanan enligt ovan). Det är fullt möjligt (men ovanligt), att glideslopemottagaren ombord fångar upp en sidolob i stället för huvudloben. En normal glidbana ligger på runt 3° vinkel. Ofta finns falska lober (sidolober) på 6° och 9°. Speciellt på nära håll kan systemet teoretiskt (även om det är mycket, mycket ovanligt) låsa på dessa falska lober. När det gäller ILS så finns aldrig falska lober under den äkta glidbanan, vilket av uppenbara skäl vore extremt farligt.
Eftersom trafikflyg handlar om säkerhet så finns på inflygningskartorna angivet vilken höjd man skall ha på glidbanan på vissa DME-avstånd från banan. Detta kollas av piloterna. Ligger man på en falsk lob visar höjdmätaren ett betydligt högre värde än det på kartan angivna (vilket normalt inte är farligt men innebär att man får dra på och gå om, något som kan orsaka förseningar både för eget och andra flygplan).

Slutligen lite kuriosa med koppling till sidolober. Inom stridsflygets värld pågår ett "radarkrig", där flygplanen på olika sätt försöker lura fiendens luftvärnsradar (och även fientliga flygplans radar) medan man inom luftvärnet (och flygplansradar) utvecklar radarsystem för att dessa skall bli svårare att lura.
Även om en markradar (eller en flygplansradar) sänder ut en mycket stark signal (det kan handla om flera tiotals MW i pulseffekt) försvinner det mesta på vägen mot målet, vid reflektionen mot målet och på vägen tillbaka. Eftersom det handlar om svaga signaler som tas emot finns det många enkla metoder att lura en radar. Störsändare och metallfolieremsor är välkända sådana.
Det finns också mer sofistikerade tekniker, där man bl a utnyttjar en antenns sidolober. En markbaserad spaningsradar har normalt en antenn som roterar horisonten runt. På planet finns en kraftfull dator. När en radarpuls träffar planet "tillverkar" datorn en exakt likadan puls (samma frekvens, samma pulsform med hänsyn till att pulsformen kan ändras vid reflektionen mot planet) och skickar tillbaka denna falska puls i riktning mot markradarn, men med en viss tidsfördröjning (där man tar hänsyn till markradarantennens rotationshastighet och andra faktorer). Om allting fungerar kommer denna puls att anlända till markstationen när en sidolob är riktad mot planet. Även om markstationen får ett äkta eko på skärmen, kommer det falska ekot att vara starkare (och mer frestande) men kommer att ligga kanske 30° fel i riktning. Också avståndet blir fel, eftersom en radar beräknar avstånd utifrån tiden mellan utsändandet av en puls och mottagandet av den reflekterade pulsen. Även om en mänsklig radaroperatör ofta kan genomskåda en sådan här bluff, kan en radarstyrd robot bli lurad. Både radarsystem och motmedel utvecklas och förbättras hela tiden; och vem som har övertaget kan ändras från dag till dag.

Till artikeln "Radiofyrar (NDB, DME, VOR, Localizer och ILS)"
Tillbaka till artikeln "Varför flyger flygplan?"
Tillbaka till Kristers Flygsida
Till Kristers hemsida