Системы радиопеленгации

Содержание

Введение

1. Диаграмма направленности антенны

2. Диаграмма направленности рамочной антенны

3. Пеленгация по минимуму сигнала

4. Самолетные радиопеленгаторы. Радиополукомпас.

5. Системы слепой посадки самолетов по радиомаякам

Заключение

Список литературы

Введение

Радиопеленгация своим появлением обязана навигации. НАВИГАЦИЯ родилась как наука о вождении кораблей. Далее это понятие расширилось, и сейчас понимается как определение любым подвижным объектом – кораблем, самолетом, космическим аппаратом, автомобилем, человеком и т.д. – своего местоположения с целью определения направления движения. Если определение местоположения осуществляется с помощью радиосредств, то это есть радионавигация.

Радионавигация началась с определения направления на источник радиоволн, то есть с радиопеленгации. А как определить это направление? Вот что говорил знаменитый русский флотоводец адмирал С.О. Макаров в приказе от 7 марта 1904 года (во время русско-японской войны): “При определении направления можно пользоваться, поворачивая свое судно и заслоняя своим рангоутом приемный провод, причем по отчетливости можно судить иногда о направлении на неприятеля. Минным офицерам предлагается провести в этом направлении всякие опыты”. Минные офицеры в то время были самыми технически образованными специалистами во флоте.

Нам, не морским людям, мало что говорит слово “рангоут”, но мы понимаем, что это что-то большое, загораживающее, как экран, путь электромагнитной волне к приемному проводу, то есть к антенне.

Первые приемные антенны были двух типов: вертикальный провод и рамка. Вертикальный провод не обладает направленными свойствами, то есть принимает электромагнитные колебания одинаково с любого направления. Чего нельзя сказать о рамке.

Величина сигнала, снимаемого с антенны, зависит от направления прихода радиоволн. Для описания этой зависимости вводится специальная характеристика, которую называют диаграммой направленности.

1. Диаграмма направленности антенны

Диаграмма направленности определяется только конструкцией антенны и не зависит от того, работает антенна на прием радиосигнала или на его передачу. Для приемной антенны диаграмма направленности показывает, как зависит уровень сигнала на выходе антенной цепи от направления прихода радиосигнала. А для передающей антенны она говорит об уровне излучаемого сигнала в указанном направлении.

Рассмотрим, как можно экспериментально измерить диаграмму направленности передающей антенны. Пусть передающая антенна, излучающая радиоволны, располагается в точке О (рисунок внизу слева).

На некотором расстоянии R от точки О разместим приемник (в точке А) и замерим амплитуду сигнала на его выходе. Затем будем перемещать приемник по линии окружности радиуса R и фиксировать амплитуду выходного сигнала как функцию от направления на приемник, то есть от угла a, обходя таким образом вокруг передатчика. Если снятую зависимость U_вых(a) пронормировать, то есть разделить на максимальное значение амплитуды выходного сигнала, то получим диаграмму направленности антенны F(a). Ее изображают в полярной (как на рисунке) или в декартовой системе координат.

2. Диаграмма направленности рамочной антенны

Как мы уже отмечали, вертикальный провод как антенна принимает радиоволны с любого направления одинаково. Поэтому его диаграмма направленности представляет собой окружность.

А какую диаграмму направленности имеет рамочная антенна? Теоретическое и практическое исследование рамочных антенн проводилось в 1905 – 1907 годах. Попробуем разобраться в процессах, происходящих в рамочной антенне и обосновать форму ее диаграммы направленности.

Обычно рамочная антенна образуется несколькими витками провода, намотанного на остов прямоугольной или круглой формы. Рамочную антенну можно поэтому рассматривать как катушку индуктивности, имеющую сравнительно большие пространственные размеры. К концам рамки обычно присоединяется конденсатор переменной емкости для настройки рамки в резонанс с принимаемой волной.

Предположим, что рамка прямоугольная, образована одним витком провода и расположена так, что горизонтальные проводники параллельны, а вертикальные перпендикулярны поверхности земли. Электромагнитная волна может наводить электродвижущую силу (ЭДС) на любом из проводников, образующих рамку.

Чтобы понять, от чего зависит наводимая ЭДС, вспомним некоторые сведения об электромагнитном поле.

Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического и магнитного полей Е и Н. Эти векторы в пространстве всегда перпендикулярны друг другу, и плоскость, в которой они расположены, перпендикулярна направлению распространения волны. Условное изображение векторов Е и Н при движении волны в направлении Р в некоторый момент времени t приведено на рисунке ниже.

А

По мере удаления от излучателя энергия электромагнитного поля теряется, поэтому электромагнитная волна затухает. Так как с течением времени волна перемещается в направлении распространения, то в любой точке пространства (например, в точке А) векторы Е и Н изменяются по гармоническому закону.

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_msinwt (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_msin(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.