Пеленгатор Беллини – Този - Bellini–Tosi direction finder

Эта модель Королевского флота типична для гониометров B – T. Два набора катушки возбуждения и вращающийся сенсорная катушка видны.

А Пеленгатор Беллини – Този (B – T или же BTDF) является разновидностью радиопеленгатор (RDF), который определяет направление на, или несущий оф, радиопередатчик. Ранее в системах RDF использовались очень большие вращающиеся рамочные антенны, который система B – T заменила двумя фиксированными антеннами и небольшой вращающейся петлей, известной как радиогониометр. Это сделало RDF намного более практичным, особенно на больших транспортных средствах, таких как корабли, или при использовании очень длинных волн, требующих больших антенн.

BTDF была изобретена парой итальянских офицеры в начале 1900-х годов, и иногда его называют Маркони – Беллини – Този после того, как они объединили свои силы с Компания Маркони в 1912 году. BTDF был наиболее распространенной формой пеленгации военно-морских сил с 1920-х по 1980-е годы и использовался в качестве основной части ранних дальнемагистральных аэронавигация системы с 1930-х годов до Вторая Мировая Война. Системы БТДФ также широко использовались для военных разведка сигналов встреча.

Во время войны появились новые техники вроде хулиган начал заменять радиогониометры в функции сбора разведданных, сокращая время, необходимое для точного определения местоположения, с минут до секунд. Возможность недорого обрабатывать радиосигналы с помощью микроконтроллеры допустимый псевдодоплеровские пеленгаторы 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 RDF

Ранние системы RDF использовали большие вращающиеся рамочные антенны, построенные на деревянных каркасах. Этот образец 1919 года из Национального бюро стандартов относительно небольшой для того времени.

Самые ранние эксперименты в RDF были проведены в 1888 г., когда Генрих Герц обнаружил направленность разомкнутый контур провода используется как антенна. Он заметил, что искра, возникающая в открытом зазоре между концами контура, была намного сильнее, когда петля была подключена к передатчику, и полностью исчезла, когда она была выровнена лицевой стороной к передатчику.[1]

К началу 1900-х многие экспериментаторы искали способы использовать эту концепцию для определения местоположения передатчика. Обычно использовались ранние радиосистемы длинноволновый или же средняя волна сигналы. Longwave, в частности, имел хорошие характеристики передачи на большие расстояния из-за их ограниченного взаимодействия с землей и, таким образом, обеспечивал отличные маршрут большого круга распространение земной волны который указывал прямо на передатчик. Методы выполнения RDF для длинноволновых сигналов были основной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах.[2][3][а]

Антенны обычно чувствительны к сигналам только тогда, когда их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Типичным примером является полуволновой диполь. Для длинноволнового использования это приводило к созданию рамочных антенн длиной в несколько десятков футов со стороны, часто с более чем одной петлей, соединенной вместе для улучшения сигнала. Это представляло серьезную проблему при организации поворота антенны. В ВМС США до некоторой степени преодолели эту проблему, установив длинные антенны на кораблях и двигаясь по кругу.[4]

Одно решение этой проблемы было разработано Маркони компании в 1905 году. Он состоял из ряда длинных горизонтальных тросов или стержней, расположенных так, чтобы указывать наружу из общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединять противоположные пары этих проводов, чтобы сформировать диполь, и, вращая переключатель, оператор мог искать самый сильный сигнал.[5][6] Все эти системы были громоздкими и непрактичными для многих целей.[7]

Беллини – Този

Пеленгаторная антенна с перекрестными петлями на мачте буксира. Они будут использоваться с радиогониометром B – T для навигации путем измерения относительно береговых передатчиков.

Во время экспериментов в 1907 г.[8][b] Этторе Беллини и Алессандро Този заметили, что они могут вызвать переизлучение принятого сигнала, образуя петлю из нескольких витков провода. Используя две рамочные антенны, расположенные под прямым углом, и два набора этих небольших проволочных катушек, расположенных одинаково, были воссозданы направленные свойства исходного радиосигнала. Тогда пеленгацию можно было бы проводить с помощью обычной рамочной антенны, расположенной в центре этих двух статоры (или же катушки возбуждения); вращающийся контур был известен как ротор (или же сенсорная катушка).[9][5]

Поскольку катушки возбуждения были электрически соединены с антеннами, их можно было разместить где угодно, а их размер не зависел от длины волны. Это означало, что RDF теперь можно было легко выполнять на самых длинных волнах, используя антенны любого размера. Для длинноволнового использования две скрещенные антенны можно легко построить, проложив четыре провода от одной мачты до земли, чтобы сформировать треугольные формы.[4][10] При использовании с более короткими длинами волн система из двух скрещенных рамочных антенн оказалась механически более устойчивой, чем одна вращающаяся. У них было дополнительное преимущество: антенны можно было разместить практически где угодно; более ранние системы часто включали в себя какое-то дистанционное управление через механическую связь, но это ограничивало размещение антенны или приемной.[4]

Пара продала патенты Компания Маркони в феврале 1912 года, и Беллини присоединился к компании, чтобы продолжить развитие.[5] Практически сразу за этим последовало тестовое развертывание. Однако общий сигнал, посланный из конца в конец, был крошечным, и неусиленная система[10] может использоваться только с мощными сигналами. Ранние эксперименты, проведенные на борту Эскимосский и Роял Джордж, так же хорошо как RMS Мавритания были успешными, но диапазон был ограничен примерно 15 милями (24 км). При тестировании на USS Вайоминг, то ВМС США обнаружил, что собственный магнетизм корабля подавлял сигнал, производимый сенсорными катушками, создавая выходной сигнал, который предполагал, что передатчик всегда был впереди корабля.[4]

Добавление усилителей

Система B – T была представлена ​​примерно в то же время, что и первая триоды, и партнерство Маркони состоялось в том же году, когда была впервые замечена способность триода усиливать сигналы. К 1920 году использование усилителей в радио было широко распространено.[11]

Усилители на триодах позволяли обнаруживать слабые сигналы на большем расстоянии.

Усики Adcock

Эта японская установка BTDF в Рабауле использовалась с сигналами до 2 МГц. Расстояние между униполями по диагонали составляет 90 футов.

В течение 1910-х и в начале 1920-х годов ряд исследователей обнаружили, что сигналы с более короткой длиной волны отражаются от того, что позже будет известно как ионосфера. Это позволило сигналу прыгать на очень большие расстояния, многократно отражаясь от земли и ионосферы. Это значительно расширенный диапазон, позволяющий использовать передатчики с меньшей мощностью для связи на очень большие расстояния. К 1923 году ряд радиолюбители (Радиолюбители) продемонстрировали отличные характеристики на дистанции 100 м и в следующем году начали обычное трансатлантическое сообщение. Это привело к тому, что в данном документе был определен ряд новых частотных диапазонов. коротковолновый области, всего 10 м (что очень много по сегодняшним меркам). К 1930 году эти частоты широко использовались для многих целей.[12]

Коротковолновые сигналы представляли проблему для RDF, потому что небесная волна сигнал может быть получен одновременно с нескольких разных участков, что создает впечатление, что передатчик находится в нескольких разных пеленгах. Решение уже было изучено, но не для того, чтобы решить эту конкретную проблему. В 1917 году Фрэнк Адкок пытался решить проблему создания больших антенн, пригодных для использования с радиогониометром даже на самых длинных волнах. Он разработал систему, состоящую из четырех очень высоких мачт, электрически соединенных вместе, чтобы образовать две виртуальные петли. Это устранило необходимость соединять верхние части антенн, которые иначе было бы трудно соединить вместе для очень больших антенн. Однако позже было обнаружено, что подземные соединения между антеннами защищают их от небесных волн, позволяя только прямой земной волне достигать гониометра.

Использование авиации

Этот приемник Marconi B – T использовался в Австралии в 1934 году на гонках MacRobertson Air Race.

Полосы с более короткими длинами волн особенно полезны в авиации. Антенна, передающая полезный сигнал на длинноволновых частотах, будет больше, чем типичный самолет (хотя Цеппелины проблем не было)[10] и даже более высокие частоты в высокая частота (HF) и очень высокая частота (VHF) диапазоны были очень желательны.

Ограничение этих частот для связи в пределах прямой видимости в дневное время не представляло серьезной проблемы для использования воздух-земля, где местное горизонт может быть за сотни миль для самолета, летящего даже на средней высоте. Хороший пример преимуществ более коротких длин волн можно увидеть на Супермарин Спитфайр, который начал Вторую мировую войну с КВ-радио, которое транслировалось с кабельной антенны, протянутой от кабины до вершины вертикального стабилизатора. Это обеспечило среднюю дальность полета 5 миль (8,0 км) в идеальных условиях.[13] Эти ранние наборы TR9D были заменены на VHF-набор с небольшой штыревой антенной, обеспечивающей дальность действия порядка 50 миль (80 км) и сотни миль в режиме "воздух-земля".

К 1930-м годам использование BTDF для навигации самолетов дальнего действия стало обычным явлением. Хороший пример такой системы был впервые установлен в Австралия в 1934 году в составе 11 300 миль (18 200 км) Мак-Робертсон Воздушная гонка. Две станции, оборудованные наборами Marconi BTDF и антеннами Adcock, были установлены на Шарлевиль и Мельбурн. Успех этой системы привел к добавлению дополнительных станций, чтобы сформировать сеть из 17 станций радиопеленгации для дальней навигации. К 1945 году они были в значительной степени заменены системами RDF в самолетах, а не на земле.[14]

Военное использование

Система B – T также широко использовалась вооруженными силами для определения местонахождения вражеских радиовещателей. Для этого требовалось некоторое время, часто порядка нескольких минут для хорошего исправить. Это привело к появлению различных систем для ускорения широковещательной передачи сообщений, что затрудняло выполнение таких операций. Примером был немецкий военно-морской флот. Система кодов Kurzsignale которые сжимали сообщения в короткие коды, а полностью автоматизированный пакетное кодирование Курьерская система который отправил Kurzsignale всего за ½ секунды.

Замена

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

В США система, первоначально разработанная французской ITT лаборатории широко использовался. Команда ITT бежала из Франции перед немецким вторжением и перед отъездом уничтожила свое оборудование. Достигнув США, они смогли быстро дублировать свои усилия. Эта система использовала двигатель для быстрого вращения радиогониометра, а также обеспечивала вход для электроники, которая вращала входы X и Y электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Это привело к тому, что сигнал отобразил на дисплее шаблон, который можно было использовать для почти мгновенного определения направления передачи.

В Великобритании высокочастотная радиопеленгация (HFDF или «хулиган”) Система в значительной степени вытеснила BTDF примерно к 1943 году. HFDF использовала симметричные усилители, которые подавались непосредственно на ЭЛТ, чтобы мгновенно отображать направление непосредственно от входящего сигнала, не требуя никакого механического движения. Это позволяло улавливать и определять местонахождение даже самых мимолетных сигналов. Дисплей, несмотря на то, что он работал по совершенно другим принципам, был очень похож на механическую систему США. HFDF был тщательно охраняемым секретом и стал известен только после окончания войны.

Замена наземных систем BTDF в роли авиации была обусловлена ​​в первую очередь двумя факторами: одним из них был переход на все более короткие длины волн, который настолько сократил необходимые антенны, что RDF можно было выполнять на небольшой приемной антенне всего в несколько сантиметров. в длину. Поскольку на этих частотах использовалась более старая технология вращающейся петли, большинство самолетов использовали ее. Вторым достижением было введение автоматический пеленгатор (ADF), что полностью автоматизировало процедуру RDF. После того, как система ADF была настроена на станцию, либо радиомаяк, либо AM радио станции они непрерывно перемещали указатель, чтобы указать относительный азимут без дальнейшего вмешательства оператора.

B – T и вращающиеся петли различных типов продолжали использоваться гражданскими лицами в послевоенное время. В течение всего этого периода в обе системы продолжали вноситься улучшения, особенно введение соленоиды вместо обычных петель в некоторых ролях. Однако введение доплеровский пеленгатор и особенно недорогая электроника для его реализации, привели к исчезновению традиционных петлевых систем к середине 1990-х годов. Доплеровские системы используют фиксированные антенны, такие как BTDF, но управляют пеленгацией только посредством обработки сигнала.

Описание

Направленность антенны

Радиосигналы состоят из постоянно изменяющихся электрических и магнитных полей, расположенных под прямым углом. Когда магнитное поле проходит через металлический объект, это вызывает электроны в металле, чтобы начать движение синхронно с сигналом. В соответствии с Закон индукции Фарадея, этот эффект максимизируется, когда объект и поле находятся под прямым углом друг к другу (альтернативно, можно думать, что электрическое поле находится на одной линии с объектом). Хотя радиосигналы будут распространяться в любой ориентации, для рассматриваемых здесь сигналов распространение сильно ослабляется, если магнитное поле не перпендикулярно земле. По этой причине радиоантенны, как передатчика, так и приемника, обычно вертикальны.[15] Такие сигналы называются вертикально поляризованными.[8]

Когда двое и более усики расположены близко друг к другу, различия в положении антенн заставляют воспринимать радиосигнал как различия в фаза. Например, если две антенны расположены на расстоянии 1/2 длины волны друг от друга, сигнал, приближающийся по линии между ними, будет иметь противоположную фазу в двух антеннах, вызывая индуцирование противоположных напряжений. Если сигнал приближается перпендикулярно к линии, фаза одинакова и напряжения будут одинаковыми.[16][17]

Если вершины антенн соединены вместе, сетевое напряжение будет равно нулю, когда антенна направлена ​​лицом к сигналу, потому что напряжения в обеих вертикальных секциях противоположны друг другу. Когда антенна вращается, небольшая разность фаз и, следовательно, наведенные напряжения оставляют в цепи чистое напряжение, и течет ток. Это максимально увеличивается, когда антенны параллельны передатчику. Если измерить выходную мощность под всеми углами, когда антенны повернуты по отношению к сигналу, получится диаграмма приема в виде восьмерки с резким нулевая точка и расширенная зона максимального сигнала.[18][19]

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,[c] поэтому он мало влияет на результат. Таким образом, хотя антенна представляет собой законченную петлю, только вертикальные секции оказывают какое-либо влияние на прием, и она действует как две отдельные антенны. Чтобы измерить несущий передатчика петля вращается вокруг своей вертикальной оси, пока сигнал не упадет до нуля, или нули, который является гораздо более резким сигналом, чем максимальный.[18][2]

B – T концепция

Система Беллини-Този подает выходное напряжение рамочной антенны или антенны Adcock на небольшую катушку провода, катушка возбуждения. Изменяющееся напряжение, вызванное принятым сигналом, заставляет провод повторно излучать тот же сигнал.[20] Хотя катушка обычно намного меньше длины волны и, следовательно, имеет небольшой коэффициент антенны использование большого количества проволочных петель в катушке улучшает общую мощность сигнала. Полная энергия, излучаемая катушкой, меньше энергии, принимаемой антенной, но она передает ее в 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 катушками возбуждения заполнена аналогом исходного сигнала от антенн. В сенсорная катушкаЕще одна рамочная антенна расположена в области между катушками возбуждения. Вращение сенсорной катушки в катушках возбуждения имеет тот же выход, что и вращение всей рамочной антенны в исходном поле.[21]

Даже небольшое рассогласование этих двух компонентов вызывает смещение на выходе, false null.[22] Поскольку это было исправлено как часть конструкции радиогониометра, исправить это было достаточно просто, просто перемещая указатель. Обычно использовались контактные кольца или гайки.[23]

Ошибка сцепления

Фактически, результирующее поле в катушках не является точным аналогом исходного. Это было бы, если бы катушки возбуждения состояли из одного витка провода, но поскольку они фактически состоят из нескольких обмоток, они, по сути, являются небольшими соленоиды. Получающееся в результате поле будет наиболее сильным на краях обмоток, падая (в идеале) до нуля в центре.[24]

Это заставляет выходной сигнал повышаться и понижаться в области катушек. Поскольку система B – T полагается на сравнение уровней сигналов, это приводит к неравномерному выходному сигналу, повышающемуся и понижающемуся каждые 45 градусов, восемь раз по всей цепи. Это было известно как ошибка сцепления или же восьмеричная ошибка.[24]

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 для всего круга. Коррекция никогда не бывает идеальной, с точными углами приходилось экспериментировать на каждом радиогониометре.[24]

Настройка антенны

Для правильной работы важно, чтобы обе антенные цепи были тщательно сбалансированы. Для начала антенны должны быть идентичными, с идентичными электрическими свойствами в проводке и одинаковыми длинами проводов.[21] Поскольку антенны имеют индуктивность и емкость из-за их механической схемы в цепь обычно вставляются дополнительные катушки индуктивности и конденсаторы, так что обе антенны имеют одинаковые значения для обеих.[25] Распространенным методом динамической балансировки схемы была подача сигнала внешнего зуммера на антенные входы, а затем настройка конденсаторов до тех пор, пока сигнал в обоих не станет одинаковым.[25]

Даже незначительные изменения в погоде, физической компоновке или даже ударе шасси, содержащего настраиваемые конденсаторы, могут привести к изменению настройки. По этой причине использовались различные системы для снижения чувствительности радиогониометра к ошибочной настройке. Основным среди них была концепция апериодической антенны, описывающая механическую схему внутренней проводки радиогониометра. Путем наматывания проводки сенсорной катушки вокруг вертикального цилиндра и подключения катушек возбуждения аналогичным образом как можно ближе к сенсорной катушке вся цепь стала емкостной связью. Единственный настраиваемый конденсатор на выходе измерительной катушки можно затем использовать для настройки всей системы.[26]

Системы чувств

Одним из недостатков любой системы радиопеленгации, использующей рамочные антенны, является то, что антенна одинаково чувствительна как спереди, так и сзади, поэтому в измерениях всегда существует двусмысленность на 180 градусов - передатчик может находиться по обе стороны от антенны. Чтобы решить эту проблему, многие пеленгаторные системы добавили дополнительную антенну, чувствительная антенна (не имеет отношения к сенсорной катушке).[27]

Чувствительная антенна обычно состоит из одной вертикальной антенны, расположенной на некотором расстоянии от скрещенных контуров, на одной линии с одной из двух контуров, на расстоянии, примерно равном расстоянию между двумя вертикальными частями контура. Выход чувствительной антенны смешивается с петлей, с которой она находится на одной линии, с помощью переключателя, который позволяет включать или выключать ее. При включении он создает напряжение, которое подавляет выход задней части контура, усиливая прямую часть. Результирующая схема приема изменяется с исходной восьмерки на кардиоидную.[28]

Также возможно смоделировать чувствительную антенну, отводя сигнал от контура, с которым она была бы связана. Обычно это достигается помещением центрального отвода в индуктивность настройки и последующей подачей этого сигнала в схему, как если бы он был от другой антенны. Поскольку центральный отвод вызывает балансировку сигнала от обеих вертикальных секций, он создает сигнал, подобный одиночной вертикальной мачте.[29] При использовании с апериодическими обмотками цепь считывания должна быть подключена к приемной стороне вместе с настроечным конденсатором.[30]

Системы трансмиссии

Направленность радиогониометра работает в обоих направлениях; его можно использовать для определения направления входящего сигнала или изменения направления передачи. Во время ранних экспериментов эта способность использовалась для создания радиосигнала, который охватил небо, как маяк луч, позволяющий обычным радиоприемникам определять свое местоположение по времени прохождения сигнала. Типичным решением была передача определенного стартового сигнала, часто азбука Морзе, чтобы начать развертку, а затем медленно развернуть устойчивый сигнал. Оператор отсчитал время от конца стартового сигнала до максимума в непрерывном звуковом сигнале, а затем разделил его на скорость вращения, чтобы определить угол.[10]

Преимущество системы B – T с точки зрения механической простоты, как правило, было трудно использовать в этой роли из-за обычно небольшого количества энергии, которое 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.[31] В конце концов, ни одна из этих систем не оказалась очень популярной, и успех систем B – T и небольших подвижных контуров, пригодных для более высоких частот, используемых для связи с самолетами, позволил переносить системы радиопеленгации на транспортных средствах.

Примечания

  1. ^ Кин перечисляет ряд ранних экспериментов, в которых изобретатели были на пути к внедрению очень практичных систем, даже до того, как они были развернуты, но затем прекратили разработку без очевидной причины.
  2. ^ Дата варьируется между ссылками, все упоминаются 1906, 1907 и 1909 годы. Более поздняя дата подачи заявки на патент США.
  3. ^ По крайней мере, для длинноволновых сигналов см. Текст о различных проблемах на других частотах.

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Кин 1922, п. 8.
  2. ^ а б Ян 2013, п. 187.
  3. ^ Кин 1922 С. 7-10.
  4. ^ а б c d Howeth 1963, п. 261.
  5. ^ а б c Бейкер 2013, п. 150.
  6. ^ Кин 1922, п. 211.
  7. ^ Ян 2013, п. 188.
  8. ^ а б Берег 1973, п. 441.
  9. ^ Берег 1973, с. 442.
  10. ^ а б c d Салсбери, 1916 г., п. 451.
  11. ^ Ли, Томас (2004). Планарная микроволновая техника. Издательство Кембриджского университета. С. 13–14.
  12. ^ Янг, Чен-Пан (2003). Когда любители были экспертами: эксперименты радиолюбителей США на больших коротких волнах около 1920 г. (PDF) (Технический отчет). Массачусетский технологический институт.
  13. ^ Передатчик-приемник TR9D и TR9F (PDF) (Технический отчет). Министерство авиации.
  14. ^ "Среднечастотный пеленгатор Беллини – Този". Музей авиалиний и Историческое общество гражданской авиации.
  15. ^ Кин 1922, п. 13.
  16. ^ Берег 1973 С. 438-439.
  17. ^ Howeth 1963, стр. 261-265.
  18. ^ а б Берег 1973 С. 437-439.
  19. ^ Кин 1922, стр. 21-23.
  20. ^ Кин 1922 С. 50-53.
  21. ^ а б Кин 1922, п. 53.
  22. ^ Кин 1922, п. 51.
  23. ^ Адмиралтейский справочник W / T (PDF). Пункт 792. 1931. Архивировано с оригинал (PDF) в 2014-07-26. Получено 2014-07-17.CS1 maint: location (связь)
  24. ^ а б c Кин 1922, п. 59.
  25. ^ а б Кин 1922, п. 54.
  26. ^ Кин 1922 С. 57-48.
  27. ^ Кин 1922, п. 38.
  28. ^ Кин 1922, п. 39.
  29. ^ Кин 1922, п. 43.
  30. ^ Кин 1922 С. 64-66.
  31. ^ Салсбери, 1916 г. С. 451-453.

Библиография