Гониометр в радиотехнике

г

Гониометр в радиотехнике, устройство, состоящее из двух равных взаимно перпендикулярных, симметрично расположенных относительно общей вертикальной оси неподвижных катушек, называемых гониометрическими, внутри которых на оси, совпадающей с общей осью симметрии гониометрических катушек, вращается третья катушка, называемая искательной. К гониометрическим катушкам присоединяются две совершенно одинаковые взаимно перпендикулярные антенны замкнутого или открытого вида, направляющее действие которых выражается законом cos α. К искательной катушке приключаются, в зависимости от назначения, или цепь радиопередатчика для возбуждения через посредство ее антенн или цепи приемника, причем в этом последнем случае в искательной катушке происходит складывание эффектов приема обеих антенн. В современной радиотехнике идея гониометра используется для целей направленной радиопередачи и направленного радиоприема. В технике радиопередачи гониометр нашел применение в радиомаяках. В радиоприеме гониометр употребляется: 1) в пеленгаторах, гл. обр. разработанных Маркони, и 2) в коммерческих приемных центрах многократного приема - для целей направленного радиоприема.

Теория действия гониометра при приеме

Теория действия гониометра при приеме. Если передающая радиостанция находится в направлении, составляющем азимутальный угол α (фиг. 1) с плоскостью антенны АВ (обычно в виде замкнутого контура; центр катушек О считается за начало координат), то ЭДС, возбуждаемая электромагнитным полем волны в антенне АВ,

Goniometr 3

и в антенне СD

Goniometr 4

где Е - максимальная амплитуда ЭДС, которая индуктировалась бы в любой из антенн, если бы направление на передающую станцию совпадало с плоскостью этой антенны. Эти ЭДС, в свою очередь, индуктируют в искательной катушке, находящейся относительно антенны АВ под углом β, ЭДС, относительное значение которых

Goniometr 5

и

Goniometr 6

Полная ЭДС в катушке равна

Полная ЭДС в катушке

Максимум Е2 будет при α = β, т. е. когда плоскость искательной катушки совпадает с направлением на передающую станцию; минимум Е2 будет при β = α ± 90°. Таким образом, гониометр при двух неподвижных антеннах дает такую же 8-образную направленную характеристику, как вращающаяся рамка. Гониометр работает согласно приведенной теории только в том случае, если соблюдены следующие идеальные условия.

1) Токи в обеих антеннах должны точно совпадать по фазе. Если токи не в фазе, то возбуждаемые ими магнитные поля в гониометрических катушках будут:

Goniometr 8

где ϕ - угол сдвига фазы токов. Поле Н2 можно разложить на два составляющих поля:

Goniometr 9

Поля Н4 и Н1 создают эллиптическое вращающееся поле с осями Е' и Е" sin ϕ; уравнение поля

Goniometr 10

Поле Goniometr 11 - нормальное переменное поле, обусловливающее правильную работу гониометра согласно приведенной выше теории; вращающееся же поле приводит к искажению минимумов, а также к нарушению их резкости.

2) Обмотки гониометрических катушек должны иметь точно одинаковое число витков, одинаковые размеры, равные сопротивления и д. б. расположены строго симметрично относительно искательной катушки. Если одна из катушек сдвинута на некоторый угол Ψ относительно своего правильного положения, то угол β для минимума определится из уравнения:

Goniometr 12

На фиг. 2 кривая 1 изображает сдвиг минимума при Ψ = 5°. Минимум может терять при этом свою резкость из-за появления вращающейся слагаемой поля в полости катушки.

3) Антенны гониометра должны быть: а) одинаковых размеров и иметь одинаковые сопротивления высокой частоте, б) симметрично расположены относительно общей оси (мачты, к которой они подвешены).

а) Если антенны по размерам не равны, то в этом случае

Goniometr 13

и при минимуме

Goniometr 14

В табл. 1 показаны отклонения Δα при различных Е12:

Goniometr 15

Если одна из антенн сдвинута на некоторый угол относительно своего правильного положения, то

Goniometr 16

На фиг. 2 кривая 2 изображает отклонение минимума в Δα при ξ = 5°. Если сдвинута одна из катушек и одна из антенн, то искажения минимумов будут еще больше; в этом случае

Goniometr 17

Кривая 3 на фиг. 2 изображает отклонение минимумов при Ψ = 5° и ξ = 5°.

б) Электрическая несимметрия антенн, помимо чисто механических причин (несимметричной конфигурации антенн, различной высоты над землей при провесах и др.), которых в большинстве случаев практики можно избежать, обусловливается также и вводами, обычно длиной в несколько метров, которые создают неизбежную электростатическую несимметрию всей системы.

Goniometr 18

При неравенстве емкостей С1 и С2 (фиг. 3) токи в гониометрической катушке L от половины I и II антенны относительно земли (антенный эффект замкнутых антенн) оказываются в минимуме приема неравными по величине, разность их I1—I2 примерно пропорциональна w (C1—С2); токи сдвинуты по фазе, так как для тока I1

Goniometr 19

и для тока L

Goniometr 20

Следовательно, схема фиг. 3 при невозможности компенсации антенного эффекта не может обеспечить резкого минимума и для правильной работы гониометра непригодна. Последствия неравенства емкостей С1 и С2 в значительной мере м. б. ослаблены если центр катушки L заземлить (фиг. 4).

Goniometr 21

В этом случае токи I1 и I2 не ответвляются соответственно на емкости С1 и С2, а следовательно, в каждой половине катушки токи равны по фазе и приблизительной величине (I1—I2 = 0). Незначительные неточности в намотке катушек, а также неравенство емкостей С1 и С2 м. б. затем скомпенсированы соответствующим подбором конденсаторов С3 и С4. Если в заземляющий провод ab (фиг. 4) для каких-либо целей (например, использование антенного эффекта замкнутой антенны) будет включена катушка самоиндукции, то симметрия системы снова нарушится, т. к. токи I1 и I2 начнут ответвляться соответственно на емкости С2 и C1, с последующим расхождением по величине и сдвигом фаз. Т. о., для получения резкого минимума в гониометре средние точки гониометрических катушек должны быть обязательно заземлены.

Схемы включения гониометров. Для целей радиоприема антенны гониометров или настраивают или имеют ненастроенными - апериодическими. В первом случае связь между катушками гониометрической и искательной берут слабой (коэффициент связи - порядка 3—5%), а наиболее рациональная схема всего устройства для реализации приведенных выше условий получает вид, показанный на фиг. 5.

Goniometr 23

Схема гониометра с ненастроенными антеннами имеет вид, показанный на фиг. 6.

Схема гониометра с ненастроенными антеннами

Схема эта предложена Маркони и широко используется современной техникой радиоприема. Коэффициент связи между искательной и гониометрической катушками в этом случае доводят до 50—80%. Наилучший по силе прием получается при условии

Goniometr 25

где L1 - суммарная самоиндукция гониометрической катушки и антенны (обычно Lg катушки берут равной Lа антенны), R1 - сопротивление антенной цепи, R2 - сопротивление искательной катушки, Морt - наивыгоднейшая взаимоиндукция; при Mopt напряжение на зажимах искательной катушки

Goniometr 26

где E - ЭДС, возбуждаемая в антенне сигналами, a L2 - самоиндукция искательной катушки. Так как поле внутри гониометрических катушек не равномерно, а именно, как во всяком соленоиде, сгущается ближе к намотке и ослабляется к центру, то результирующее поле будет несколько отклоняться от своего правильного направления и эта ошибка гониометра имеет октанальный характер, как показано на фиг. 7.

Goniometr 27

При слабых связях она незначительна - меньше 1°, при сильных связях в апериодическом гониометре может достигать 4°. Для устранения ее, главным образом, в пеленгаторах, где точность показания искательной катушки играет большую роль, намотка последней делается из двух секций, сдвинутых одна по отношению к другой приблизительно на 45°.

Гониометр с апериодическими антеннами нашел широкое применение для многократного приема в коммерческих приемных узлах Англии, Германии и Франции. По сравнению с другими видами направленных антенн гониометр имеет следующие преимущества: 1) при одном антенном устройстве возможен одновременный многократный направленный прием со всех желаемых направлений почти на любое число приемников на разных волнах; 2) характеристика направленного действия может быть легко проверена поворотом искательной катушки; это свойство гониометра позволяет, в случае необходимости, очень точно установить минимум приема от мешающей станции, несколько смещая катушку относительно максимума на принимаемую станцию (корреспондента), катушки благодаря этому за счет небольшого ослабления силы приема от корреспондента сам прием получается без помех; 3) гониометр обеспечивает хорошие условия для получения однонаправленного приема на любом приемнике в системе многократного приема.

Многократный прием м. б. получен путем включения гониометрических катушек последовательно (фиг. 8, I) или параллельно (фиг. 8, II).

Включение гониометрических катушек

Опыт показывает, что параллельное включение катушек более рационально, чем последовательное, по той причине, что при параллельном включении возможность заземления центров всех гониометрических катушек обеспечивает сохранение резких минимумов в направленной характеристике каждого гониометра.

Выбор коэффициента связи между гониометрической и искательной катушками при многократном приеме определяется следующими условиями: 1) если прием ведется на фиксированных различных волнах, то связь берется сильной, порядка 40%; 2) если прием берется на близких волнах, причем в процессе эксплуатации настройка приемников изменяется, связь берется слабой, порядка 5%. Устранение влияния одного приемника на другой путем ослабления связи приводит к уменьшению напряжения от принимаемой станции на зажимах искательной катушки обычно в 3—4 раза. Для получения приема на близких волнах в оптимальных условиях гониометрической катушки для случая параллельного включения связываются со специальным отвязывающим контуром по схеме, приведенной на фиг. 9.

Goniometr 29

Однонаправленный прием при гониометре осуществляется по схеме фиг. 10 путем комбинирования приема от замкнутой и открытой антенн; получающаяся в результате характеристика имеет уравнение в полярных координатах

Уравнение в полярных координатах

т. е. уравнение кардиоиды. В качестве открытой антенны часто применяется или вертикальный луч, подвешенный к той же мачте, на которой подвешены замкнутые антенны (фиг. 10, I), или же сами замкнутые относительно земли антенны (фиг. 10, II), для чего в провод, заземляющий середины гониометрических катушек, включается катушка для связи с промежуточным контуром.

Однонаправленный прием при гониометре осуществляется по схеме

Вызываемое этой катушкой искажение минимумов замкнутых антенн роли не играет, т. к. минимум однонаправленной характеристики получается в максимуме двусторонней характеристики (по закону cos α).

Векторная диаграмма получения кардиоидной характеристики при гониометре

На фиг. 11 изображена векторная диаграмма получения кардиоидной характеристики при гониометре: вектор Е (пунктир) - напряжение поля волны, Еа и Iа - ЭДС и ток в открытой антенне, Ер и Iр - напряжение и ток в замкнутой антенне. Эта диаграмма получается при условии, что 1) открытая антенна безусловно апериодична

Goniometr 33

2) замкнутые антенны имеют Goniometr 34 3) настроенный контур приемника не влияет на антенные цепи. Реализовать эти условия практически очень трудно; потому фазовые соотношения, указанные в диаграмме на фиг. 11, практически несколько искажаются. В результате минимум однонаправленные характеристики теряет резкость. Если замкнутые антенны дают в контуре приемника ЭДС Е·cos α·sin wt, а открытая антенна дает Е·sin (wt + ϕ), то результирующая характеристика получает следующая вид:

Goniometr 35

Для получения резкого минимума открытую антенну связывают с контуром приемника с помощью промежуточного фазирующего контура. При изменении настройки в контуре фазовый угол изменяется согласно уравнению

Goniometr 36

где λ0 - резонансная волна, λ1 - волна расстройки и δ - декремент контура. Т. о., меняя настройку фазирующего контура, можно подобрать такую фазу тока в нем, что ϕ в приведенном выше уравнении станет равным 0. При многократном приеме одна и та же открытая антенна используется для получения однонаправленного приема во всех приемниках. Открытая антенна в этом случае связывается с настроенным фазирующим контуром каждого приемника через лампу по схеме фиг. 12. Также находит применение и связь без посредства лампы.

Goniometr 37

Кроме фазовых соотношений, для получения правильной однонаправленной характеристики необходимо, чтобы ЭДС, получаемая в контуре приемника от замкнутой антенны, была равна ЭДС, получаемой от открытой антенны. Обычно, при той же самой геометрической высоте подвеса замкнутой антенны, как и у открытой, действующая высота открытой антенны больше. Отношение действующих высот открытой и замкнутой антенн

Goniometr 38

где H – высота подвеса антенн, а n - число витков замкнутой антенны (замкнутая антенна предполагается треугольной). Поэтому связь с открытой антенной берут слабой; кроме того некоторая потеря в слышимости от открытой антенны получается на фазирующем контуре. В установках многократного приема антенны обычно подвешивают к мачтам высотой в 40—70 м. Для приема волн порядка только 1000—5000 м рационально применять мачты более низкие, порядка 20—30 м. Замкнутой антенне обычно придают конфигурацию равностороннего или равнобедренного треугольника. Самоиндукция таких антенн - порядка 800000 см.

Характеристика направленности современных гониометров. Направленный прием в современных приемных станциях является основным средством для борьбы с атмосферными помехами; атмосферные разряды часто принимаются по преимуществу с одного направления. В качестве примера на фиг. 13 показана зависимость между направлением и количеством атмосферных разрядов при одностороннем приеме на гониометре на волне порядка 15000 м близ Москвы.

Зависимость между направлением и количеством атмосферных разрядов при одностороннем приеме на гониометре на волне порядка 15000 м близ Москвы

Для получения наибольшего эффекта в смысле освобождения от действия атмосферных разрядов на прием, в современных приемных эксплуатационных установках стараются возможно более резко развить направленное действие антенных устройств. Для увеличения направленности в настоящее время пользуются комбинацией двух гониометрических устройств, расставленных на некотором расстоянии друг от друга (фиг. 14).

Комбинация двух гониометрических устройств, расставленных на некотором расстоянии друг от друга

При помещении приемника в середине на линии, соединяющей два гониометра, и при приеме с направлений, являющихся продолжением этой линии, кривая направленности выражается уравнением:

Goniometr 41 1

где d - расстояние между гониометрами. На фиг. 15 показана характеристика направленности этого устройства при различных d/λ.

Goniometr 41

На фиг. 16 кривая 1 показывает изменение величины максимумов (верхняя часть кривых на фиг. 15) приема при изменении d/λ, кривая 2 - то же для обратных побочных максимумов (нижняя часть кривых фиг. 15) и кривая 3 - то же для отношений побочных максимумов к приемным максимумам.

Goniometr 42

При применении дополнительного искусственного фазирования гониометры могут быть расположены в любых расстояниях от места расположения приемников. В этом случае кривая направленности выражается уравнением:

Goniometr 43

На фиг. 17 кривая III показывает в декартовых координатах характеристику двух гониометров при искусственном фазировании; для сравнения на этой же фиг. показаны в приведенных масштабах характеристика кардиоиды (кривая I) и характеристика двух гониометров без искусственного фазирования (кривая II); пунктирная кривая IV показывает характеристику волновой антенны, принятой в Америке для тех же целей.

Характеристика двух гониометров при искусственном фазировании

Хотя кривая ее направленности имеет такую же резкость, как и у двух гониометров, но возможности, даваемые ею, невелики: она позволяет иметь прием с одного направления нескольких корреспондентов в очень узком диапазоне волн. Критерием направленности антенн служат площади их характеристик с приведенными к одной величине приемными максимумами. В табл. 2 даны сравнительные величины площадей рассмотренных выше антенных устройств по сравнению с открытой антенной и рамкой, площади которых принимаются за единицу.

Goniometr 45

Устройство, состоящее из двух гониометров, в настоящее время находит применение в приемных центрах в Гельтове (Германия) и в Тоуин (Англия), а также в других приемных центрах, установленных Компанией Маркони и обществомвом Телефункен, владеющим патентами Компании Маркони.

В заграничной литературе, гл. обр. французской, гониометрами часто называют также вообще все устройства, предназначенные для пеленгования по радио. У нас такое использование этого термина не принято.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.

Еще по теме: