Контрольная работа: Системы радиопеленгации

Вектор напряженности электрического поля Е может быть различным образом ориентирован относительно земли. Если он располагается вертикально, то электромагнитная волна называется вертикально поляризованной; если вектор Е параллелен земле, то волна называется горизонтально поляризованной. Тип поляризации волны определяется в основном конструкцией антенны и ее ориентацией в пространстве. Так, например, вертикальная антенна, расположенная на земле, создает вблизи земли вертикально поляризованную поверхностную волну; горизонтально расположенный вибратор – горизонтально поляризованную волну.

Первые системы связи, а также и радионавигации строились в диапазонах средних и длинных волн с вертикальными антеннами. Значит, радиоволны были вертикально поляризованными. Пространственная волна имеет наклонную поляризацию.

В проводнике будет наводиться ЭДС, если вектор напряженности электрического поля параллелен проводнику. При этом силовые линии электрического поля направлены вдоль проводника, что приводит к появлению разности потенциалов на концах проводника и движению свободных электронов. Если же вектор Е перпендикулярен проводнику, то потенциалы всех точек проводника одинаковы, разности потенциалов на концах проводника не возникает, и, следовательно, ЭДС равна нулю.

Итак, вертикально поляризованная электромагнитная волна наводит ЭДС только в вертикальных проводниках рамки, а в горизонтальных проводниках ЭДС наводиться не будет.

Определим теперь форму диаграммы направленности рамки.

Как мы уже говорили, вертикально поляризованная волна наводит ЭДС только в вертикальных проводах рамки. Эти ЭДС создают токи в рамке, направленные в противоположные стороны. Если направление прихода радиоволн совпадает с осью Z, (источник электромагнитного излучения находится на оси Z), то напряженность электрического поля вблизи вертикальных проводников одинакова, одинаковы и наводимые ЭДС и, следовательно, ток в рамке и во входной цепи приемника равен нулю. Значение диаграммы направленности – ноль.

Что будет происходить, если направление прихода радиоволн отклоняется от оси Z? Это можно пояснить нагляднее, используя проекцию рамки на горизонтальную плоскость.

Здесь точки А и В являются горизонтальными проекциями вертикальных проводников рамки. Пусть направление прихода радиоволн отличается от оси Z на угол a. Тогда радиоволна сначала наведет ЭДС в проводнике А, а затем через время, равное времени распространения радиоволны от точки С до точки В, точно такую же ЭДС в проводнике В. Наведенная в проводнике А ЭДС является гармоническим процессом U_A = U_m sinwt (Здесь U_m – амплитуда, а w – частота наведенной ЭДС) в соответствии с гармоническим изменением напряженности электрического поля Е в точке приема.

ЭДС, наведенная в проводнике В, будет смещена относительно ЭДС, наведенной в проводнике А на величину фазового сдвига j = 2pwDt. Здесь Δt равно времени распространения электромагнитной волны от точки С до точки В (см. рисунок): Δt = СВ / с. Тогда U_B = U_m sin(wt – j). Ток, протекающий в рамке и во входной цепи приемника будет пропорционален разности ЭДС U_A – U_B . Эти процессы показаны на рисунке выше справа.

Как видно из рисунка, амплитуда разностной ЭДС (U_A – U_B ) зависит от сдвига фаз j. При φ = 0 амплитуда разностной ЭДС равна нулю; с увеличением φ амплитуда разностной ЭДС будет увеличиваться. При φ = π она будет максимальной, а затем будет уменьшаться. В свою очередь, фазовый сдвиг φ связан с направлением прихода радиоволны. Если a = 0, то и j = 0.С увеличением a увеличивается и j до своего максимального значения при a = p/2, когда направление прихода сигнала совпадает с плоскостью рамки. Так как размеры рамки берутся много меньше длины волны (длина волны – сотни метров, а размер рамки – самое большое: метры, а обычно: десятки сантиметров), то j мало, и для увеличения разностной ЭДС рамки делают многовитковыми.

Все вышесказанное позволяет построить диаграмму направленности рамочной антенны. Когда направление на источник радиоизлучения перпендикулярно плоскости рамки (a = 0), амплитуда результирующей ЭДС равна 0. С увеличением a амплитуда возрастает до максимального значения, которое будет при a = p/2. При дальнейшем увеличении a амплитуда уменьшается и станет равной нулю при a = p. Аналогично можно проследить изменение результирующей ЭДС при изменении a от p до 2p. Таким образом, диаграмма направленности рамочной антенны имеет вид восьмерки. Можно точно доказать, что она представляет собой две соприкасающихся окружности.

Эта диаграмма направленности характерна тем, что имеет два направления нулевого приема, перпендикулярные плоскости антенны, и два направления максимального приема, совпадающие с плоскостью антенны. Минимумы диаграммы выражены резко, т.е. при небольшом отклонении от направления нулевого приема амплитуда резко возрастает. Максимумы же диаграммы не резко выраженные, т.е. амплитуда мало меняется даже при сравнительно большом отклонении от направления максимума.

Обратите внимание на знаки + и – . Они показывают, что фаза результирующей ЭДС изменяется на 180^о при переходе через линию 0-p.

Выше для объяснения формы диаграммы направленности рамочной антенны мы использовали электрическое поле и вектор напряженности электрического поля Е. Однако, может быть, более понятным будет объяснение, использующее магнитные силовые линии. Пусть на вертикально расположенную рамку воздействует вертикально поляризованная радиоволна. Тогда вектор напряженности магнитного поля Н и линии магнитного поля лежат в горизонтальной плоскости и пронизывают плоскость вертикальной рамки (см. рисунок, где показана проекция рамки Р на горизонтальную плоскость).

Высокочастотное изменение магнитного потока, пронизывающего рамку, наводит в рамке ЭДС. Амплитуда этой ЭДС зависит от числа магнитных силовых линий, пронизывающих плоскость рамки. Когда рамка ориентирована вдоль направления распространения радиоволн (положение 1), ее пронизывает наибольшее число магнитных силовых линий, и поэтому наведенная ЭДС наибольшая. В положении 2 число магнитных силовых линий меньше, а в положении 3, когда плоскость рамки перпендикулярна направлению распространения радиоволн, рамка вообще не пронизывается магнитными силовыми линиями, так что наведенная ЭДС равна нулю.

Если направление распространения волны изменится на 180^о , то фаза ЭДС также должна измениться на обратную, ибо меняется направление магнитных силовых линий, пересекающих рамку.

3. Пеленгация по минимуму сигнала

Первые радиопеленгаторы строились для нужд флота. В то время на кораблях устанавливалась только связная аппаратура, и она не позволяла определить направление на источник излучения. Поэтому определение направления производилось наземным радиопеленгатором по запросу корабля. Установка наземных радиопеленгаторов по берегам многих морей началась после 1918 г. В СССР три таких радиопеленгатора вступили в эксплуатацию в 1934 г.: один на мысе Херсонес (конструкция его показана на рисунке ниже) и два в Арктике.

Дальность действия этих радиопеленгаторов над морем достигала 350 км при точности определения пеленга до 1 – 1,5 градусов. Рамочная антенна вращалась со скоростью 1 об/мин.

Обратите внимание на конструкцию радиопеленгатора. Рамочная антенна образована несколькими витками толстого провода, намотанного на деревянный каркас. К рамке подсоединен воздушный конденсатор переменной емкости (он хорошо виден в центре рамки) для настройки на заданный диапазон частот.

Однако, наземные радиопеленгаторы не получили значительного распространения, так как к 1935 году были разработаны малогабаритные бортовые радиопеленгаторы, которые обеспечивали более точное и, главное, быстрое измерение пеленга. (При использовании наземных радиопеленгаторов время измерения составляло несколько минут.)

Во всех радиопеленгаторах использовались рамочные антенны. Рассмотрим, как можно определить направление на источник радиоволн, располагая антенной с диаграммой направленности в форме восьмерки?

Существует три способа определения направления: по максимуму сигнала, по минимуму сигнала и по равносигнальной зоне. Применительно к рамочной антенне они иллюстрируются приведенным ниже рисунком. Пунктирной линией показано направление на источник излучения.