Пеленгатор Беллини–Този ( B –T или BTDF ) — это тип радиопеленгатора (RDF), который определяет направление или пеленг радиопередатчика. Ранее системы RDF использовали 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, которые требуют больших антенн.
Система BTDF была изобретена парой итальянских офицеров в начале 1900-х годов и иногда известна как система Маркони–Беллини–Този после того, как они объединили свои силы с компанией Marconi в 1912 году. Система BTDF была наиболее распространенной формой военно-морской пеленгации с 1920-х до 1980-х годов и использовалась в качестве основной части ранних систем дальней аэронавигации с 1930-х годов до окончания Второй мировой войны . Системы BTDF также широко использовались для сбора военной разведывательной информации .
Во время войны новые методы, такие как хафф-дафф, начали заменять радиогониометры в роли сбора разведданных, сокращая время, необходимое для получения точного определения с минут до секунд. Возможность недорогой обработки радиосигналов с использованием микроконтроллеров позволила псевдодоплеровским пеленгаторам взять на себя большую часть оставшихся функций радиогониометров 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.
Самые ранние эксперименты в области RDF были проведены в 1888 году, когда Генрих Герц открыл направленность открытой петли провода, используемого в качестве антенны. Он заметил, что искра, генерируемая в открытом зазоре между концами петли, была намного сильнее, когда петля была направлена торцом к передатчику, и полностью исчезала, когда она была направлена лицевой стороной к передатчику. [1]
К началу 1900-х годов многие экспериментаторы искали способы использования этой концепции для определения местоположения передатчика. Ранние радиосистемы обычно использовали длинноволновые или средневолновые сигналы. Длинноволновые, в частности, имели хорошие характеристики передачи на большие расстояния из-за их ограниченного взаимодействия с землей, и тем самым обеспечивали превосходное распространение земной волны по дуге большого круга , которая указывала прямо на передатчик. Методы выполнения RDF на длинноволновых сигналах были основной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах. [2] [3] [a]
Антенны, как правило, чувствительны к сигналам только тогда, когда их длина составляет значительную часть длины волны или больше. Типичным примером является полуволновой диполь . Для использования на длинных волнах это привело к появлению рамочных антенн с десятками футов на стороне, часто с более чем одной рамкой, соединенной вместе для улучшения сигнала. Это представляло собой значительную проблему при организации вращения антенны. ВМС США преодолели эту проблему, до некоторой степени, установив длинные антенны на кораблях и плавая по кругу. [4]
Одно из решений этой проблемы было разработано компанией Marconi в 1905 году. Оно состояло из ряда длинных горизонтальных проводов или стержней, направленных наружу из общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединять противоположные пары этих проводов, образуя диполь, и, вращая переключатель, оператор мог искать самый сильный сигнал. [5] [6] Все эти системы были громоздкими и непрактичными для многих применений. [7]
Во время экспериментов в 1907 году [8] [b] Этторе Беллини и Алессандро Този заметили, что они могут заставить полученный сигнал быть повторно излученным, образуя петлю с несколькими витками провода. Используя две рамочные антенны, расположенные под прямым углом, и два набора этих небольших проволочных катушек, расположенных таким же образом, были воссозданы направленные свойства исходного радиосигнала. Затем можно было осуществлять пеленгацию с помощью обычной рамочной антенны, размещенной в центре этих двух статоров (или полевых катушек ); вращающаяся петля была известна как ротор (или чувствительная катушка ). [9] [5]
Поскольку катушки поля были соединены с антеннами электрически, их можно было разместить где угодно, и 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 было легко построить, проложив четыре провода от одной мачты к земле, чтобы сформировать треугольные формы. [4] [10] При использовании с более короткими длинами волн система из двух скрещенных рамочных антенн оказалась более механически прочной, чем одна вращающаяся. У них было дополнительное преимущество, заключавшееся в том, что антенны можно было разместить практически где угодно; более ранние системы часто включали в себя некое дистанционное управление через механическую связь, но это ограничивало размещение антенны или приемной комнаты. [4]
Пара продала патенты компании Marconi Company в феврале 1912 года, и Беллини присоединился к компании, чтобы продолжить разработку. [5] За этим почти сразу последовали тестовые развертывания. Однако общий сигнал, отправленный из конца в конец, был крошечным, и неусиленная система [10] могла использоваться только с мощными сигналами. Ранние эксперименты, проведенные на борту Eskimo и Royal George , а также RMS Mauretania, были успешными, но дальность была ограничена примерно 15 милями (24 км). В ходе испытаний на USS Wyoming ВМС США обнаружили , что собственный магнетизм корабля подавлял сигнал, производимый катушками считывания, создавая выходной сигнал, который предполагал, что передатчик всегда находился перед кораблем. [4]
Система B–T была введена примерно в то же время, что и первые триоды , а партнерство Маркони имело место в том же году, когда впервые была замечена способность триода усиливать сигналы. К 1920 году использование усилителей в радио стало широко распространенным. [11]
Триодные усилители позволяли обнаруживать слабые сигналы на большем расстоянии.
В 1910-х и начале 1920-х годов ряд исследователей обнаружили, что сигналы с более короткой длиной волны отражаются от того, что позже стало известно как ионосфера . Это позволило сигналу передаваться на очень большие расстояния, многократно отражаясь от земли и ионосферы. Это значительно расширило диапазон, позволив использовать передатчики с меньшей мощностью для очень дальних коммуникаций. К 1923 году ряд радиолюбителей (hams) продемонстрировали превосходную работу на расстоянии 100 м и начали регулярную трансатлантическую связь в следующем году. Это привело к определению ряда новых диапазонов частот в этом коротковолновом регионе, вплоть до 10 м (что очень долго по сегодняшним меркам). К 1930 году эти частоты широко использовались для многих целей. [12]
Коротковолновые сигналы представляли проблему для RDF, поскольку сигнал небесной волны мог одновременно приниматься с нескольких разных скачков, создавая впечатление, что передатчик находится на нескольких разных пеленгах. Решение уже было изучено, хотя и не для того, чтобы решить эту конкретную проблему. В 1917 году Фрэнк Эдкок пытался решить проблему создания больших антенн, пригодных для использования с радиогониометром даже на самых длинных волнах. Он разработал систему, использующую четыре очень высокие мачты, соединенные вместе электрически, чтобы сформировать две виртуальные петли. Это устранило необходимость соединять верхушки антенн, которые в противном случае было бы трудно соединить вместе для очень больших антенн. Однако позже было обнаружено, что подземные соединения между антеннами экранировали их от небесных волн, позволяя только прямой земной волне достигать гониометра.
Более короткие диапазоны волн особенно полезны для использования в авиации. Антенна, которая транслирует полезный сигнал на длинноволновых частотах, будет больше, чем типичный самолет (хотя у цеппелинов не было никаких проблем) [10] и даже более высокие частоты в диапазонах высоких частот (HF) и очень высоких частот (VHF) были весьма желательны.
Ограничения этих частот для связи в пределах прямой видимости в течение дня не были серьезной проблемой для использования в режиме «воздух-земля», где местный горизонт мог находиться в сотнях миль для самолета, летящего даже на умеренных высотах. Хороший пример преимуществ более коротких длин волн можно увидеть на Supermarine Spitfire , который начал Вторую мировую войну с КВ-радио, которое вещало с кабельной антенны, протянутой от кабины до верхней части вертикального стабилизатора. Это обеспечивало среднюю дальность связи «воздух-воздух» в 5 миль (8,0 км) при идеальных условиях. [13] Эти ранние комплекты TR9D были заменены комплектом VHF, использующим небольшую штыревую антенну, обеспечивающую дальность связи порядка 50 миль (80 км) и сотни 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 как часть 11 300-мильной (18 200 км) гонки MacRobertson Air Race . Две станции, оборудованные наборами Marconi BTDF и антеннами Adcock, были установлены в Шарлевиле и Мельбурне . Успех этой системы привел к добавлению дополнительных станций, чтобы сформировать сеть из 17 станций DF для дальней навигации. К 1945 году они были в значительной степени заменены системами RDF в самолетах, а не на земле. [14]
Система B–T также широко использовалась военными силами для определения местоположения вражеских радиостанций. Для этого требовалось некоторое время, часто порядка нескольких минут для хорошего определения . Это привело к появлению различных систем для ускорения трансляции сообщений, чтобы затруднить такие операции. Примером может служить система кодов Kurzsignale немецкого флота , которая сжимала сообщения в короткие коды, и полностью автоматизированная система пакетного кодирования Kurier , которая отправляла Kurzsignale всего за ½ секунды.
Ручная система Беллини–Този оставалась практически универсальной на протяжении всей Второй мировой войны, за исключением вооруженных сил Великобритании и США.
В США широко использовалась система, изначально разработанная французскими лабораториями ITT . Команда ITT бежала из Франции перед немецким вторжением и уничтожила свое оборудование перед отъездом. Они смогли быстро повторить свои усилия, как только добрались до США. Эта система использовала двигатель для быстрого вращения радиогониометра, а также обеспечивала ввод для электроники, которая вращала входы X и Y электронно- лучевой трубки (ЭЛТ). Это заставляло сигнал вычерчивать на дисплее рисунок, который можно было использовать для определения направления передачи практически мгновенно.
В Великобритании система высокочастотной пеленгации (HFDF или « huff-duff ») в значительной степени вытеснила BTDF примерно к 1943 году. HFDF использовала сбалансированные усилители, которые подавались непосредственно в ЭЛТ для мгновенного отображения направления непосредственно из входящего сигнала, не требуя никакого механического движения. Это позволяло улавливать и локализовать даже самые мимолетные сигналы. Дисплей, несмотря на работу на совершенно иных принципах, был очень похож на механическую систему США. HFDF была тщательно охраняемым секретом и не стала широко известна до окончания войны.
Замена наземных систем BTDF в авиации была обусловлена в первую очередь двумя факторами: одним из них был переход на все более короткие длины волн, что настолько сократило требуемые антенны, что RDF можно было проводить на небольшой приемной антенне длиной всего несколько сантиметров. Поскольку старая технология вращающейся петли была практичной на этих частотах, большинство самолетов использовали ее. Вторым достижением стало введение автоматического пеленгатора ( ADF), который полностью автоматизировал процедуру RDF. После того, как система ADF была настроена на станцию, будь то маяк на воздушной трассе или радиостанция AM , они непрерывно перемещали указатель, чтобы указать относительный пеленг без дальнейшего участия оператора.
B–T и вращающиеся петли различных видов продолжали использоваться гражданскими лицами в послевоенную эпоху. В течение этого периода обе системы продолжали совершенствоваться, особенно введение соленоидов вместо обычных петель в некоторых ролях. Однако введение 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, как BTDF, но выполняют пеленгацию только посредством обработки сигнала.
Радиосигналы состоят из постоянно меняющихся электрических и магнитных полей, расположенных под прямым углом. Когда магнитное поле проходит мимо металлического объекта, оно заставляет электроны в металле двигаться синхронно с сигналом. Согласно закону индукции Фарадея , этот эффект максимален, когда объект и поле находятся под прямым углом друг к другу (в качестве альтернативы можно представить себе электрическое поле, расположенное 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 передающие, так и принимающие, обычно вертикальны. [15] Такие сигналы называются вертикально поляризованными. [8]
Когда две или более антенны расположены близко друг к другу, различия в положении антенн приводят к тому, что принимаемый радиосигнал воспринимается как различия 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, вызывая индуцирование противоположных напряжений. Если сигнал приближается перпендикулярно линии, фаза будет одинаковой, а напряжения будут равными. [16] [17]
Если верхние части антенн соединены вместе, чистое напряжение будет равно нулю, когда антенна обращена лицом к сигналу, потому что напряжения в обеих вертикальных секциях противоположны друг другу. Когда антенна вращается, небольшая разница в фазе и, таким образом, индуцированные напряжения оставят чистое напряжение в цепи, и ток будет течь. Это максимизируется, когда антенны параллельны передатчику. Если измерить выход под всеми углами, когда антенны вращаются относительно сигнала, создается восьмерка приема с острой нулевой точкой и расширенной областью максимального сигнала. [18] [19]
Рамочная антенна использует этот принцип в удобной и механически прочной форме. Для вертикально поляризованных сигналов прием на верхней и нижней части рамки очень слаб, [c] поэтому он мало влияет на выход. Поэтому, хотя антенна представляет собой полную рамку, только вертикальные секции оказывают какое-либо воздействие на прием, и она действует как две отдельные антенны. Для измерения пеленга передатчика рамку вращают вокруг ее вертикальной оси до тех пор, пока сигнал не упадет до нуля или не станет нулевым , что является гораздо более резким сигналом, чем максимальный. [18] [2]
Система Беллини–Този подает выходное напряжение петлевой или антенны Адкока в небольшую катушку провода, полевую катушку . Изменяющееся напряжение, вызванное принятым сигналом, заставляет провод повторно излучать тот же сигнал. [20] Хотя катушка обычно намного меньше длины волны и, таким образом, имеет малый антенный фактор , использование большого количества петель провода в катушке улучшает общую силу сигнала. Общая энергия, излучаемая катушкой, меньше той, что принимается антенной, но она транслирует ее в гораздо меньшую физическую область, поэтому поток может быть намного выше, чем исходный сигнал.
Используются две антенны и две полевые катушки, обе расположены под прямым углом друг к другу. Область между двумя полевыми катушками заполнена аналогом исходного сигнала от антенн. Считывающая катушка , другая рамочная антенна, помещена в область между полевыми катушками. Вращение считывающей катушки в полевых катушках имеет тот же выход, что и вращение всей рамочной антенны в исходном поле. [21]
Даже небольшое несовпадение двух элементов приводит к смещению выходного сигнала, ложному нулю . [22] Поскольку это было зафиксировано как часть конструкции радиогониометра, было достаточно просто исправить это, просто переместив указатель. Обычно использовались контактные кольца или гайки. [23]
Фактически, результирующее поле в катушках не является точным аналогом оригинала. Оно было бы, если бы катушки поля состояли из одной петли провода, но поскольку они фактически состоят из нескольких обмоток, они, по сути, являются небольшими соленоидами . Результирующее поле тогда сильнее всего на краях обмоток, падая (в идеале) до нуля в центре. [24]
Это заставляет выходной сигнал расти и падать вокруг области в катушках. Поскольку система B–T полагается на сравнение объемов сигнала, это приводит к неравномерному выходу, который растет и падает каждые 45 градусов, восемь раз вокруг полной цепи. Это было известно как ошибка связи или октантная ошибка . [24]
Решение этой проблемы заключается в том, чтобы намотать чувствительную катушку двумя парами, смещенными с каждой стороны от центральной линии на 22,5 градуса. Это делает ошибку в одной катушке противоположной другой, условие, которое остается верным по всему кругу. Коррекция никогда не бывает идеальной, точные углы приходилось экспериментировать с каждым радиогониометром. [24]
Для правильной работы важно, чтобы обе антенные цепи были тщательно сбалансированы. Для начала антенны должны быть идентичными, с идентичными электрическими свойствами в проводке и длинами выводов, отрегулированными так, чтобы они были равны. [21] Поскольку антенны имеют индуктивность и емкость из-за их механической компоновки, в цепь обычно вставляются дополнительные индукторы и конденсаторы, чтобы обе антенны имели одинаковые общие значения для обеих. [25] Распространенный метод динамической балансировки цепи заключался в подаче внешнего сигнала зуммера на входы антенны, а затем настройке конденсаторов до тех пор, пока сигнал в обоих не станет одинаковым. [25]
Даже незначительные изменения погоды, физического расположения или даже удары шасси, содержащего настраиваемые конденсаторы, могут привести к изменению настройки. По этой причине для снижения чувствительности радиогониометра к неправильной настройке использовались различные системы. Первостепенной среди них была концепция апериодической антенны, которая описывала механическую компоновку внутренней проводки радиогониометра. Наматывая проводку катушки считывания вокруг вертикального цилиндра и подключая полевые катушки в аналогичном расположении как можно ближе к катушке считывания, вся схема становилась емкостно связанной. Затем для настройки всей системы можно было использовать один настраиваемый конденсатор на выходе катушки считывания. [26]
Одним из недостатков любой системы пеленгации, использующей рамочные антенны, является то, что антенна одинаково чувствительна как спереди, так и сзади, поэтому в измерениях всегда присутствует 180-градусная неоднозначность — передатчик может находиться по обе стороны антенны. Чтобы решить эту проблему, многие системы пеленгации добавляют дополнительную антенну, сенсорную антенну (не связанную с сенсорной катушкой). [27]
Считывающая антенна обычно состоит из одной вертикальной антенны, расположенной на некотором расстоянии от скрещенных петель, на одной линии с одной из двух петель, на расстоянии, примерно равном расстоянию между двумя вертикальными частями петли. Выходной сигнал чувствительной антенны смешивается с петлей, с которой она находится на одной линии, через переключатель, который позволяет включать или выключать ее. При включении она создает напряжение, которое подавляет выходной сигнал задней части петли, усиливая переднюю часть. Результирующая диаграмма направленности приема изменяется с ее первоначальной восьмерки на кардиоиду. [28]
Также возможно имитировать сенсорную антенну, отводя питание от петли, с которой она была бы связана. Обычно это достигается путем размещения центрального отвода в настраиваемом индукторе, а затем подачи этого сигнала в цепь, как если бы он был от другой антенны. Поскольку центральный отвод заставляет сигнал от обеих вертикальных секций быть сбалансированным, он создает сигнал, аналогичный сигналу от одной вертикальной мачты. [29] При использовании с апериодическими обмотками сенсорная цепь должна быть подключена к стороне приемника вместе с настраиваемым конденсатором. [30]
Направленные качества радиогониометра работают в обоих направлениях; его можно использовать для определения направления входящего сигнала или изменения направления передачи. Во время ранних экспериментов эта возможность использовалась для создания радиосигнала, который охватывал небо подобно лучу маяка , позволяя обычным радиоприемникам определять свое местоположение по времени прохождения сигнала. Типичным решением было транслировать определенный стартовый сигнал, часто код Морзе , для начала развертки, и медленно развертывать устойчивый сигнал после этого. Оператор засекал время от конца стартового сигнала до максимума в непрерывном тоне, а затем делил на скорость вращения, чтобы определить угол. [10]
Преимущество системы B–T с точки зрения механической простоты было, как правило, трудно использовать в этой роли из-за обычно небольшого количества энергии, которое она могла настроить. Было также разработано несколько конкурирующих систем, включая всенаправленные антенны с моторизованными сетчатыми рефлекторами, а также систему Telefunken, которая имела несколько дипольных антенн, периодически переключаемых большим моторизованным распределителем. [31] В конце концов, ни одна из этих систем не оказалась очень популярной, и успех систем B–T и небольших подвижных петель, подходящих для более высоких частот, используемых для авиационной связи, позволил разместить системы пеленгации на транспортных средствах.
{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )