Беллини – Истинный пеленгатор

Эта модель Royal Navy типична для гониометров B – T. два набора катушек возбуждения и вращающаяся сенсорная катушка . Видны

Пеленгатор Беллини-Този ( B – T или BTDF ) представляет собой тип радиопеленгатора (RDF), который определяет направление или пеленг на радиопередатчик. Ранее в системах RDF использовались очень большие вращающиеся рамочные антенны , которые система B – T заменила двумя фиксированными антеннами и небольшой вращающейся рамкой, известной как радиогониометр . Это сделало RDF гораздо более практичным, особенно на больших транспортных средствах, таких как корабли, или при использовании очень длинных волн, требующих больших антенн.

BTDF был изобретен парой итальянских офицеров в начале 1900-х годов и иногда известен как Маркони-Беллини-Този после того, как они объединили усилия с компанией Маркони в 1912 году. BTDF был наиболее распространенной формой военно-морской пеленгации с 1920-х годов по вплоть до 1980-х годов, и использовался в качестве основной части первых систем аэронавигации на большие расстояния с 1930-х годов до окончания Второй мировой войны . Системы BTDF также широко использовались для сбора военной разведки .

Во время войны новые методы, такие как хафф-дафф, начали заменять радиогониометры в сборе разведывательной информации, сокращая время, необходимое для точного определения местоположения, с минут до секунд. Возможность недорогой обработки радиосигналов с помощью микроконтроллеров позволила псевдодоплеровским пеленгаторам взять на себя большую часть оставшихся функций радиогониометра с 1980-х годов. Несмотря на то, что сегодня они мало используются, оригинальные антенны систем BTDF все еще можно увидеть на многих кораблях и лодках.

История

Ранний РДФ

В ранних системах RDF использовались большие вращающиеся рамочные антенны, построенные на деревянных рамах. Этот пример 1919 года, предоставленный Национальным бюро стандартов, относительно невелик для того времени.

Самые ранние эксперименты с RDF были проведены в 1888 году, когда Генрих Герц обнаружил направленность разомкнутой проволочной петли, используемой в качестве антенны. Он заметил, что искра, возникающая в открытом зазоре между концами петли, была намного сильнее, когда петля была обращена к передатчику, и полностью исчезала, когда она была выровнена лицом к передатчику.

К началу 1900-х годов многие экспериментаторы искали способы использовать эту концепцию для определения местоположения передатчика. Ранние радиосистемы обычно использовали длинноволновые или средневолновые сигналы. Длинноволновые волны, в частности, имели хорошие характеристики передачи на большие расстояния из-за их ограниченного взаимодействия с землей и, таким образом, обеспечивали превосходное по маршруту большого круга распространение наземных волн , которые были направлены непосредственно на передатчик. Методы выполнения RDF на длинноволновых сигналах были основной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах.

Антенны обычно чувствительны к сигналам только в том случае, если их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Типичным примером является полуволновой диполь . При использовании длинных волн это приводило к появлению рамочных антенн длиной в десятки футов по бокам, часто с более чем одной петлей, соединенных вместе для улучшения сигнала. Это представляло собой серьезную проблему при повороте антенны. ВМС США в некоторой степени преодолели эту проблему, установив на кораблях длинные антенны и плавая по кругу.

Одно из решений этой проблемы было разработано компанией Маркони в 1905 году. Оно состояло из ряда длинных горизонтальных проволок или стержней, направленных наружу из общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединить противоположные пары этих проводов, образуя диполь, и, вращая переключатель, оператор мог искать самый сильный сигнал. Все эти системы были громоздкими и непрактичными для многих целей.

Беллини – Правда

Пеленгаторная антенна со скрещенными петлями на мачте буксира. Они будут использоваться с радиогониометром B – T для навигации путем проведения измерений с помощью береговых передатчиков.

В ходе опытов 1907 г. Этторе Беллини и Алессандро Този заметили, что они могут вызвать повторное излучение принятого сигнала, сформировав петлю из нескольких витков провода. С помощью двух рамочных антенн, расположенных под прямым углом, и двух наборов этих небольших проволочных катушек, расположенных таким же образом, были воссозданы направленные свойства исходного радиосигнала. Тогда пеленгацию можно было бы выполнить с помощью обычной рамочной антенны, помещенной в центр этих двух статоров (или катушек возбуждения ); вращающаяся петля была известна как ротор ( или сенсорная катушка ).

Поскольку полевые катушки были электрически соединены с антеннами, их можно было разместить где угодно, а их размер не зависел от длины волны. Это означало, что теперь RDF можно было легко выполнять на самых длинных волнах, используя антенны любого размера. Для использования на длинных волнах две скрещенные антенны можно легко построить, проложив четыре провода от одной мачты к земле, придав им треугольную форму. При использовании более коротких волн система из двух скрещенных рамочных антенн оказалась более механически прочной, чем одна вращающаяся. У них было дополнительное преимущество: антенны можно было разместить практически где угодно; более ранние системы часто включали какое-то дистанционное управление через механическую связь, но это ограничивало размещение антенны или приемной комнаты.

Пара продала патенты компании Marconi в феврале 1912 года, и Беллини присоединился к компании, чтобы продолжить разработку. За этим почти сразу последовало тестовое развертывание. Однако общий сигнал, передаваемый из конца в конец, был крошечным, и система без усиления можно было использовать только с мощными сигналами. Ранние эксперименты, проведенные на борту Eskimo и Royal George , а также RMS Mauretania , оказались успешными, но дальность действия была ограничена примерно 15 милями (24 км). В ходе испытаний на авианосце Вайоминг обнаружили ВМС США , что собственный магнетизм корабля подавляет сигнал, вырабатываемый сенсорными катушками, создавая выходной сигнал, который предполагал, что передатчик всегда находится перед кораблем.

Добавление усилителей

Система B – T была представлена ​​примерно в то же время, что и первые триоды , а партнерство Маркони состоялось в том же году, когда впервые была замечена способность триода усиливать сигналы. К 1920 году использование усилителей в радио получило широкое распространение.

Триодные усилители позволяли обнаруживать слабые сигналы на большем расстоянии.

Усики Адкока

Основная статья: Антенна Adcock

Эта японская установка BTDF в Рабауле использовалась с сигналами частотой примерно до 2 МГц. Расстояние по диагонали униполей составляет 90 футов.

В 1910-х и начале 1920-х годов ряд исследователей обнаружили, что более коротковолновые сигналы отражаются от того, что позже будет известно как ионосфера . Это позволило сигналу преодолевать очень большие расстояния, многократно отражаясь от земли и ионосферы. Это значительно расширенный диапазон, позволяющий использовать передатчики меньшей мощности для связи на очень больших расстояниях. К 1923 году ряд радиолюбителей продемонстрировали отличные результаты на расстоянии 100 м и в следующем году начали регулярную трансатлантическую связь. Это привело к определению ряда новых полос частот в этом коротковолновом диапазоне длиной всего 10 м (что очень долго по сегодняшним стандартам). К 1930 году эти частоты широко использовались для многих целей.

Коротковолновые сигналы представляли проблему для RDF, поскольку сигнал ионосферной волны может быть принят одновременно с нескольких разных участков, создавая впечатление, будто передатчик находится на нескольких разных пеленгах. Решение уже было изучено, хотя и не для решения этой конкретной проблемы. В 1917 году Фрэнк Адкок пытался решить проблему создания больших антенн, пригодных для использования с радиогониометром даже на самых длинных волнах. Он разработал систему, в которой использовались четыре очень высокие мачты, электрически соединенные вместе, образующие две виртуальные петли. Это устранило необходимость соединять верхушки усиков, которые в противном случае было бы трудно соединить вместе для очень больших усиков. Однако позже было обнаружено, что подземные соединения между антеннами защищали их от небесных волн, позволяя только прямой земной волне достигать гониометра.

Использование авиации

Этот приемник Marconi BT использовался в Австралии на гонках MacRobertson Air Race 1934 года.

Полосы более коротких волн особенно полезны для использования в авиации. Антенна, передающая полезный сигнал на длинноволновых частотах, была бы больше, чем у типичного самолета (хотя у Цеппелинов проблем не было). и даже более высокие частоты в диапазонах высоких частот (ВЧ) и очень высоких частот (ОВЧ) были весьма желательны.

Ограничение этих частот для связи в прямой видимости в течение дня не было серьезной проблемой для использования в режиме «воздух-земля», где местный горизонт мог находиться на расстоянии сотен миль для самолета, летящего даже на умеренных высотах. Хороший пример преимуществ более коротких волн можно увидеть на самолете Supermarine Spitfire , который начал Вторую мировую войну с КВ-радио, вещавшим с кабельной антенны, протянутой от кабины до вершины вертикального стабилизатора. Это обеспечивало среднюю дальность полета воздух-воздух 5 миль (8,0 км) в идеальных условиях. Эти ранние комплекты TR9D были заменены комплектом УКВ с небольшой штыревой антенной, обеспечивающей дальность действия порядка 50 миль (80 км) и сотен миль в режиме «воздух-земля».

К 1930-м годам использование BTDF для дальней навигации самолетов стало обычным явлением. Хороший пример такой системы был впервые установлен в Австралии в 1934 году в рамках гонки MacRobertson Air Race протяженностью 11 300 миль (18 200 км) . Две станции, оснащенные комплектами BTDF Marconi и антеннами Adcock, были установлены в Шарлевиле и Мельбурне . Успех этой системы привел к добавлению дополнительных станций, образовавших сеть из 17 пеленгаторных станций для навигации на большие расстояния. К 1945 году они были в основном заменены системами RDF в самолетах, а не на земле.

Военное использование

Система БТ также широко использовалась военными для определения местоположения радиостанций противника. Для этого требовалось некоторое время, часто порядка нескольких минут для хорошего исправления . Это привело к появлению различных систем для ускорения передачи сообщений, что затруднило такие операции. ВМС Германии Примером может служить кодовая система Kurzsignale , которая сжимала сообщения в короткие коды, а также полностью автоматизированная система кодирования пакетов Kurier , которая отправляла Kurzsignale всего за полсекунды.

Замена

Ручная система Беллини-Този оставалась почти универсальной на протяжении всей Второй мировой войны, за исключением службы в Великобритании и США.

В США система, первоначально разработанная французскими лабораториями ITT широко использовалась . Команда ITT бежала из Франции перед вторжением Германии и перед отъездом уничтожила свое оборудование. Они смогли быстро повторить свои усилия, достигнув США. В этой системе использовался двигатель для быстрого вращения радиогониометра, а также обеспечивался входной сигнал для электроники, которая вращала входы X и Y электронно -лучевой трубки (ЭЛТ). Это заставляло сигнал отображать на дисплее рисунок, который можно было использовать для почти мгновенного определения направления передачи.

В Великобритании высокочастотная система пеленгации (HFDF или « хафф-дафф ») в значительной степени вытеснила BTDF примерно к 1943 году. HFDF использовала симметричные усилители, которые подавались непосредственно на ЭЛТ, чтобы мгновенно отображать направление непосредственно из входящего сигнала, что требовало никаких механических движений. Это позволило улавливать и определять местонахождение даже самых мимолетных сигналов. Дисплей, хотя и работал на совершенно других принципах, был очень похож на механическую систему США. HFDF был тщательно охраняемым секретом и стал широко известен только после окончания войны.

Замена наземных систем BTDF в роли авиации была обусловлена ​​прежде всего двумя факторами: одним из них был переход на все более короткие длины волн, что настолько укоротило необходимые антенны, что RDF можно было выполнять на небольшой приемной антенне длиной всего в несколько сантиметров. в длину. Поскольку на этих частотах была практична старая технология с вращающейся петлей, большинство самолетов использовали ее. Вторым достижением стало внедрение автоматического пеленгатора (ADF), который полностью автоматизировал процедуру RDF. После того, как система ADF была настроена на станцию, будь то авиамаяк или AM-радиостанцию , они постоянно перемещали указатель, чтобы указать относительный пеленг, без дальнейшего участия оператора.

БТ и различные вращающиеся петли продолжали использоваться гражданскими лицами и в послевоенное время. На протяжении всего этого периода в обе системы продолжали вноситься улучшения, особенно в некоторых случаях были внедрены соленоиды вместо обычных контуров. Однако внедрение доплеровского пеленгатора , и особенно недорогой электроники для его реализации, привело к исчезновению традиционных петлевых систем к середине 1990-х годов. Доплеровские системы используют фиксированные антенны, такие как BTDF, но определяют пеленгацию только посредством обработки сигнала.

Описание

Направленность антенны

Радиосигналы состоят из постоянно меняющихся электрических и магнитных полей, расположенных под прямым углом. Когда магнитное поле проходит через металлический объект, электроны в металле начинают двигаться синхронно с сигналом. Согласно закону индукции Фарадея , этот эффект максимизируется, когда объект и поле расположены под прямым углом друг к другу (альтернативно можно думать, что электрическое поле находится на одной линии с объектом). Хотя радиосигналы распространяются в любой ориентации, для рассматриваемых здесь сигналов распространение сильно ослабляется, если магнитное поле не перпендикулярно земле. По этой причине радиоантенны, как радиовещательной, так и приемной, обычно расположены вертикально. Такие сигналы называются вертикально поляризованными.

Когда две или более антенны расположены близко друг к другу, различия в положении антенн приводят к тому, что принимаемый радиосигнал воспринимается как разница в фазе . Например, если две антенны расположены на расстоянии ½ длины волны друг от друга, сигнал, приближающийся по линии между ними, будет иметь противоположную фазу в двух антеннах, что приведет к индуцированию противоположных напряжений. Если сигнал приближается перпендикулярно линии, фаза одинакова и напряжения будут равны.

Если верхушки антенн соединены вместе, общее напряжение будет равно нулю, когда антенна обращена к сигналу, поскольку напряжения в обеих вертикальных секциях противоположны друг другу. Когда антенна вращается, небольшая разница фаз и, следовательно, наведенных напряжений оставляет в цепи чистое напряжение, и ток течет. Это максимизируется, когда антенны параллельны передатчику. Если измерять выходной сигнал под всеми углами, когда антенны вращаются относительно сигнала, получается диаграмма приема в форме восьмерки с острой нулевой точкой и расширенной областью максимального сигнала.

Рамочная антенна использует этот принцип в удобной и механически прочной форме. Для сигналов с вертикальной поляризацией прием в верхней и нижней части контура очень низкий. поэтому он мало влияет на результат. Таким образом, хотя антенна представляет собой полную петлю, на прием влияют только вертикальные секции, и она действует как две отдельные антенны. Чтобы измерить пеленг передатчика, петлю вращают вокруг своей вертикальной оси до тех пор, пока сигнал не упадет до нуля или не станет нулевым , что является гораздо более резким сигналом, чем максимальный.

Концепция БТ

Система Беллини-Този подает выходное напряжение рамочной антенны или антенны Адкока в небольшую катушку провода, катушку возбуждения . Изменение напряжения, вызванное полученным сигналом, заставляет провод повторно излучать тот же сигнал. Хотя катушка обычно намного меньше длины волны и, следовательно, имеет небольшой антенный коэффициент , использование большого количества витков провода в катушке улучшает общую мощность сигнала. Общая энергия, излучаемая катушкой, меньше той, которую принимает антенна, но она передает ее на гораздо меньшую физическую область, поэтому поток может быть намного выше, чем исходный сигнал.

Используются две антенны и две полевые катушки, расположенные под прямым углом друг к другу. Область между двумя полевым катушками заполнена аналогом исходного сигнала от антенн. Сенсорная катушка , еще одна рамочная антенна, расположена в области между катушками возбуждения. Вращение сенсорной катушки в катушках поля дает тот же результат, что и вращение всей рамочной антенны в исходном поле.

Даже небольшое несовпадение этих двух значений приводит к смещению выходных данных — ложному нулю . Поскольку это было зафиксировано в конструкции радиогониометра, исправить это было достаточно просто, просто перемещая указатель. Обычно использовались контактные кольца или гайки.

Ошибка соединения

На самом деле результирующее поле в катушках не является точным аналогом исходного. Было бы так, если бы катушки возбуждения состояли из одной петли провода, но поскольку на самом деле они состоят из нескольких обмоток, это, по сути, небольшие соленоиды . Результирующее поле становится наиболее сильным на краях обмоток и падает (в идеале) до нуля в центре.

Это приводит к тому, что выходной сигнал поднимается и падает в области катушек. Поскольку система B-T полагается на сравнение объемов сигналов, это приводит к неравномерному выходному сигналу, повышающемуся и падающему каждые 45 градусов, восемь раз по полной цепи. Это было известно как ошибка связи или октантная ошибка .

Решение этой проблемы состоит в том, чтобы намотать сенсорную катушку двумя парами, каждая из которых смещена по обе стороны от центральной линии на 22,5 градуса. Это делает ошибку в одной катушке противоположной другой, и это условие остается верным по всей окружности. Коррекция никогда не бывает идеальной, с точными углами приходилось экспериментировать на каждом радиогониометре.

Настройка антенны

Для правильной работы важно, чтобы обе антенные цепи были тщательно сбалансированы. Начнем с того, что антенны должны быть идентичными, с одинаковыми электрическими свойствами проводки и одинаковой длиной проводов. Поскольку антенны имеют индуктивность и емкость из-за их механической компоновки, в цепь обычно вставляются дополнительные катушки индуктивности и конденсаторы, так что обе антенны имеют одинаковые общие суммы. Распространенным методом динамической балансировки схемы была подача внешнего сигнала зуммера на входы антенны, а затем настройка конденсаторов до тех пор, пока сигнал на обоих не станет одинаковым.

Даже незначительные изменения погоды, физического расположения или даже удары шасси, содержащего настраиваемые конденсаторы, могут привести к изменению настройки. По этой причине использовались различные системы для уменьшения чувствительности радиогониометра к неправильной настройке. Главной среди них была концепция апериодической антенны, которая описывала механическую схему внутренней проводки радиогониометра. Намотав проводку сенсорной катушки вокруг вертикального цилиндра и подключив полевые катушки аналогичным образом как можно ближе к сенсорной катушке, вся схема стала емкостной связью. Затем один перестраиваемый конденсатор на выходе сенсорной катушки можно было использовать для настройки всей системы.

Сенсорные системы

Одним из недостатков любой пеленгационной системы, использующей рамочные антенны, является то, что антенна одинаково чувствительна как спереди, так и сзади, поэтому в измерениях всегда существует 180-градусная неопределенность - передатчик может находиться по обе стороны от антенны. Чтобы решить эту проблему, многие системы пеленгации добавили дополнительную антенну, сенсорную антенну (не связанную с сенсорной катушкой).

Сенсорная антенна обычно состоит из одной вертикальной антенны, расположенной на некотором расстоянии от пересекающихся рамок, на одной линии с одной из двух рамок, на расстоянии, примерно таком же, как расстояние между двумя вертикальными частями петли. Выход сенсорной антенны смешивается с контуром, к которому она подключена, через переключатель, который позволяет включать или выключать ее. При включении он создает напряжение, которое подавляет выходной сигнал задней части контура, усиливая переднюю часть. Результирующая диаграмма приема изменяется с исходной восьмерки на кардиоиду.

Также возможно смоделировать сенсорную антенну, отводя сигнал от контура, с которым она была бы связана. Обычно это достигается путем размещения центрального отвода в настроечном индукторе, а затем подачи этого сигнала в схему, как если бы он исходил от другой антенны. Поскольку центральный отвод обеспечивает балансировку сигнала от обеих вертикальных секций, он создает сигнал, аналогичный одной вертикальной мачте. При использовании апериодических обмоток цепь считывания должна быть подключена к стороне приемника вместе с настроечным конденсатором.

Системы передачи

Направленные качества радиогониометра действуют в обе стороны; его можно использовать для определения направления входящего сигнала или изменения направления передачи. В ходе ранних экспериментов эта возможность использовалась для создания радиосигнала, который проносился по небу, как луч маяка , позволяя обычным радиоприемникам определять свое местоположение, рассчитывая время прохождения сигнала. Типичным решением была передача определенного стартового сигнала, часто кода Морзе , для запуска развертки, а затем медленная развертка устойчивого сигнала. Оператор замерял время от окончания стартового сигнала до максимума непрерывным тональным сигналом, а затем делил его на скорость вращения, чтобы определить угол.

Преимущество системы B-T с точки зрения механической простоты, как правило, было трудно использовать в этой роли из-за обычно небольшого количества энергии, которую она могла настроить. Также было разработано несколько конкурирующих систем, в том числе всенаправленные антенны с моторизованными отражателями из проволочной сетки, а также система Telefunken, в которой несколько дипольных антенн периодически переключались большим моторизованным распределителем. В конце концов, ни одна из этих систем не оказалась очень популярной, а успех систем B-T и небольших подвижных контуров, подходящих для более высоких частот, используемых для авиационной связи, позволил разместить на транспортных средствах пеленгаторные системы.

Ссылки

Библиография

• Бейкер, WJ (2013). История компании Маркони 1874-1965 гг . Рутледж. ISBN  9781134526079 .
• Кин, Р. (1922). Определение направления и местоположения с помощью беспроводной связи (PDF) . Беспроводная пресса. Архивировано из оригинала (PDF) 5 февраля 2014 г. Проверено 17 июля 2014 г.
• Критерии береговой электроники ВМФ (PDF) . ВМС США. Март 1973 года.
• Хауэт, Линвуд (1963). История электроники связи в ВМС США . ВМС США. стр. 261–265.
• Салсбери, Аннис (март 1916 г.). «Охрана судов по радио» . Научно-популярный : 451–453.
• Йанг, Чен-Пан (2013). Исследование неба радиоволнами . Издательство Чикагского университета. ISBN  9780226015194 .