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 радиоразведки .
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 псевдодопплеровским 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.
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. [1]
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 распространение наземных волн по маршруту большого круга , которые были направлены непосредственно на передатчик. Методы выполнения RDF на длинноволновых сигналах были основной областью исследований в 1900-х и 1910-х годах. [2] [3] [а]
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. [4]
Одно из решений этой проблемы было разработано компанией Маркони в 1905 году. Оно состояло из ряда длинных горизонтальных проволок или стержней, расположенных так, чтобы они были направлены наружу из общей центральной точки. Подвижный переключатель мог соединить 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 целей. [7]
Во время экспериментов в 1907 году [8] [b] Этторе Беллини и Алессандро Този заметили, что они могут вызвать повторное излучение принятого сигнала, образуя петлю с несколькими витками 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 ). [9] [5]
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. [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: 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. [4]
Пара продала патенты компании Marconi в феврале 1912 года, и Беллини присоединился к компании, чтобы продолжить разработку. [5] Почти сразу за этим последовало тестовое развертывание. Однако общий передаваемый сквозной сигнал был крошечным, и систему без усиления [10] 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» ВМС США обнаружили, что собственный магнетизм корабля подавляет сигнал, вырабатываемый сенсорными катушками, создавая выходной сигнал, который предполагал, что передатчик всегда находится перед кораблем. [4]
Система B – T была представлена примерно в то же время, что и первые триоды , а партнерство Маркони произошло 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 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 (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. [12]
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 выяснилось, что подземные соединения между антеннами защищали их от небесных волн, позволяя достигать гониометра только прямой земной волне.
Полосы более коротких волн особенно полезны для использования в авиации. Антенна, передающая полезный сигнал на длинноволновых частотах, была бы больше, чем типичный самолет (хотя у цеппелинов с этим проблем не было) [10] , и даже более высокие частоты в диапазонах высоких частот (ВЧ) и очень высоких частот (УКВ) были весьма желательны.
Ограничение этих частот для связи в пределах 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. [13] 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 Marconi BTDF 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. [14]
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. Примером может служить кодовая система Kurzsignale ВМС Германии , которая сжимала сообщения в короткие коды, а также полностью автоматизированная система кодирования пакетов Kurier , которая отправляла Kurzsignale всего за полсекунды.
Ручная система Беллини-Този оставалась почти универсальной на протяжении всей Второй мировой войны, за исключением службы в Великобритании и США.
В США широко использовалась система, первоначально разработанная французскими лабораториями ITT . 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. 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.
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, распространение рассматриваемых здесь сигналов сильно ослабляется, если магнитное поле не перпендикулярно земле. По этой причине радиоантенны, как радиовещательной, так и приемной, обычно расположены вертикально. [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 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. [16] [17]
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. [18] [19]
Рамочная антенна использует этот принцип в удобной и механически прочной форме. Для сигналов с вертикальной поляризацией прием в верхней и нижней частях контура очень слабый, [c] , поэтому он не оказывает большого влияния на выходной сигнал. 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. [18] [2]
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. [20] 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. [21]
Даже небольшое несовпадение этих двух значений приводит к смещению выходных данных — ложному нулю . [22] Поскольку это было зафиксировано в конструкции радиогониометра, исправить это было достаточно просто, просто перемещая указатель. Обычно использовались контактные кольца или гайки. [23]
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. [24]
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 . [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 по всей окружности. Коррекция никогда не бывает идеальной, с точными углами приходилось экспериментировать на каждом радиогониометре. [24]
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. [21] Поскольку антенны имеют индуктивность и емкость из-за их механической компоновки, в цепь обычно вставляются дополнительные катушки индуктивности и конденсаторы, чтобы обе антенны имели одинаковые общие значения. [25] 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 стал одинаковым. [25]
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. [26]
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). [27]
Сенсорная антенна обычно состоит из одной вертикальной антенны, расположенной на некотором расстоянии от пересекающихся контуров, на одной линии с одним из двух контуров, на расстоянии, примерно таком же, как расстояние между двумя вертикальными частями контура. 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. [28]
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. [29] При использовании апериодических обмоток схема считывания должна быть подключена к стороне приемника вместе с настроечным конденсатором. [30]
Направленные качества радиогониометра работают 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 для определения угла. [10]
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. [31] 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 пеленгаторные системы на транспортных средствах.
{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )