Приём радиосигналов на замкнутый контур (рамку)
Поместим на пути электромагнитной волны рамку таким образом, чтобы её плоскость была параллельна плоскости распространения волны (рис. 1в). Рамка симметрична относительно некоторой оси OO'. В рамке появится электрический ток. Мгновенные значения э.д.с. в её ветвях согласно (1) определятся:
| eab=Em h sin w(t+Dt) ecd=Em h sin w(t-Dt), | (2) |
где h–высота рамки;
Dt–время на прохождение волной пути l/2 (половина длины рамки).
Результирующая э.д.с. в рамке будет иметь значение:
| es=eab–ecd=Em h [sin w(t+Dt)-sin w(t-Dt)], | (3) |
Учитывая, что
| Dt = l/2c, | (4) |
где c–скорость распространения волны
| c = lf, | (5) |
гдеl–длина волны;
f–линейная частота колебаний, волны будем иметь:
| Dt=l/2lf | ( 6) |
Линейная и угловая частоты связаны соотношением:
| w=2pf | (7) |
Подставляя (7) в (6) получим:
| wDt=pl/l | (8) |
Подставляя (8) в (3) получим:
| es=Emh[sin(wt+pl/l)-sin(wt-pl/l)] | (9) |
Применяя известное тригонометрическое равенство:
| sina-sinb=2sin [(a-b)/2]cos [(a+b)/2] | (10) |
при условии, что
| a=wt+pl/l, а b=wt-pl/l | (11) |
из (9) получим:
| es=2Emh sin (pl/l)cos wt | (12) |
Учитывая незначимость аргумента под знаком синуса можно допустить:
| sin (pl/l)»(pl/l) | (13) |
Подставляя (13) в (12) и обозначая:
| hd=2hpl/l | (14) |
получим:
| es=Emhd cos wt, | (15) |
где hd–действующая высота рамки.
|
|
|
Полученное уравнение описывает мгновенное значение э.д.с. в рамке. Из сравнения (12) и (2) можно сделать вывод о том, что э.д.с. в ней сдвинута по фазе на p/2 относительно вектора напряженности электрического поля.
Если рамку повернуть на некоторый угол P относительно приходящего электрического поля (рис. 1г), то активная длина рамки изменится:
| l'=l cos P | (16) |
Уравнение (15) примет вид:
| es=Emhd cos (wt)cos P | (17) |
Построим график зависимости э.д.с. в рамке от угла ее поворота (рис. 1д). Как видно из него э.д.с. в рамке зависит от направления прихода электромагнитной волны (угла поворота рамки), т.е. рамка обладает направленными свойствами приёма. Они и используются для пеленгования.
График (диаграмма направленности рамки – косинусоида) имеет два минимума и два максимума значений э.д.с. Т.е. если рамку развернуть таким образом, чтобы в ней наблюдался или максимум или минимум тока, то можно судить о направлении прихода радиоволны. Для пеленгования используется второй способ (по минимуму), т.к. он обеспечивает более резкое изменение э.д.с. при повороте рамки на один и тот же угол (при повороте рамке от оси минимумов слышимость принятого сигнала возрастает намного быстрее, нежели при повороте от оси максимумов происходит ослабление слышимости, рис. 1д).
|
|
|
Т.к. диаграмма направленности рамки имеет два минимума, то пеленгование с её помощью обладает многозначностью определений. Можно определить на какой линии находится радиоизлучатель, но нельзя сказать в какой стороне от рамки. Для устранения многозначности при пеленговании используется комбинированная антенная система – рамка и ненаправленная (штыревая) антенна. Диаграммы направленности этих антенн взаимонакладываются таким образом, чтобы диаграмма рамки (косинусоида) вписывалась в окружность – диаграмму направленности штыревой антенны (рис. 2). Т.к. направление тока в штыревой антенне не зависит от прихода радиоволны (штыревая антенна не обладает направленными свойствами), условно принимается, что э.д.с. в ней имеет знак + во всех квадрантах координатной плоскости (рис. 2). Рамка – это направленная антенна и потому знаки э.д.с. в ней распределятся: '+' – в первом и четвертом квадранте, '–' – во втором и третьем. Сложение э.д.с. рамки и штыревой антенны с учётом знаков приводит к построению результирующей диаграммы (кардиоиды), которая будет иметь по одному минимуму и максимуму (рис. 2). Следовательно – кардиоида обладает однозначностью определения, которое используется для определения стороны пеленга.
|
|
|
|
Рис. 2. Формирование кардиоиды
Ошибки пеленгования
Радиопеленгование основывается на определении нормали к фронту волны. Если радиоволна распространяется в однородной среде, то направление на источник излучения совпадает с нормалью. В реальных условиях волна проходит над сушей и водной поверхностью, отражается от ионосферы, взаимодействует с судовым рангоутом, такелажем и надстройками. В результате фронт волны в точке приёма претерпевает изменения, что приводит к погрешностям пеленгования. Эти погрешности известны как ночной, береговой, антенный эффекты и радиодевиация.
Ночной эффект
Эта ошибка проявляется при использовании средневолнового диапазона. После захода солнца исчезает самый низкий слой ионосферы, который поглощает этот диапазон и, таким образом, препятствует появлению пространственной волны в дневное время. В результате ночью волны начинают отражаться от более высокого слоя ионосферы и возвращаться к поверхности земли. Ночной эффект – взаимоналожение поверхностной и пространственной (отраженной от ионосферы) радиоволн в точке приёма. Это взаимодействие приводит к изменению поляризации волны и искажению её фронта.
|
|
|
Береговой эффект
Если волна распространяется в однородной среде, то проекция её фронта на горизонтальную плоскость представляет окружность. При прохождении волны частично над сушей, а затем над водной поверхностью фронт ее приобретает эллипсоидность (рис. 3а). В результате этого направление нормали n совпадает с направлением на источник радиоизлучения только при нахождении судна на главной оси этого эллипса (рис. 3а). При уклонении в сторону наблюдается рассогласование в виде угла b (рис. 3а), который называется радиосклонением.
Антенный эффект
Как правило, в месте своей установки рамочная антенна пеленгатора имеет электрическую асимметрию относительно корпуса и надстроек (рис. 3б). Приходящее электромагнитное поле порождает в плечах 1 и 2 напряжение смещения, которое существует за счет влияния паразитных емкостей C1–C4 и не зависит от направления прихода волны. Т.е. рамка частично приобретает свойства ненаправленной антенны. Это напряжение называется напряжением антенного эффекта Uа (рис. 3в). Напряжение антенного эффекта отстаёт по фазе от полезного напряжения рамки Uр. Составляющая антенного эффекта, совпадающая по фазе с полезным напряжением, называется фазной (Uф на рис. 3в), составляющая, отстающая на p/2 – внефазной (Uвн на рис. 3в).
|
Рис. 3. Береговой и антенный эффекты
Действие фазной составляющей приводит к искажению идеальной диаграммы направленности рамки (косинусоиды) к виду с неодинаковыми петлями (рис. 3г). В результате появляется ошибка пеленгования, называемая углом излома оси минимумов g (рис. 3г).
Внефазная составляющая искажает косинусоиду к гантелеобразному виду (рис. 3д). В результате нет ярко выраженного минимума слышимости в пределах угла b (рис. 3д), который называется углом расплывчатости минимума слышимости.
Радиодевиация
Электромагнитное поле пеленгуемого радиоисточника возбуждает переменные токи не только в рамочной антенне, но и в окружающих токопроводящих предметах: корпусе, надстройках, рангоуте, такелаже и др., которые становятся вторичными излучателями. Поэтому на рамку воздействует суммарное поле, интенсивность и фронт которого отличаются от аналогичных параметров поля пеленгуемого источника.
Возникающая при этом ошибка пеленгования называется радиодевиацией. При известном значении радиодевиации истинный курсовой угол на пеленгуемый источник определится:
| Q=a+d, | (18) |
где a–радиокурсовой угол;
d–радиодевиация.
Знак радиодевиации определяется по правилу 'от неверного к верному'. 'Верным' считается истинный курсовой угол, 'неверным' – радиокурсовой угол. Следовательно, если a<Q, то радиодевиация имеет знак +, если a>Q, то знак –.
Величина и знак радиодевиации определяется не только взаимовлиянием рамки и вторичных излучателей, но и взаиморасположением рамки и источника радиоизлучения (зависит от курса судна).
Все многообразие вторичных излучателей можно разделить на два вида: антенно- и контуроподобные.
Полукруговая радиодевиация
Полукруговая радиодевиация проявляется вследствие переизлучения поля радиомаяка антенноподобными вторичными излучателями. Наиболее характерными источниками полукруговой радиодевиации являются антенны судовых средств радиосвязи.
Рассмотрим теоретические основы образования полукруговой радиодевиации.
Пусть в точке С диаметральной плоскости судна находится рамка, а в точке 1 – вторичный излучатель, представляющий собой ненаправленную антенну (рис. 4). Радиомаяк располагается под некоторым углом Q
к диаметральной плоскости судна. В точке приёма С на рамку действуют два поля: первичное поле радиомаяка с вектором напряженности магнитного поля Нм1 и поле вторичного излучателя с вектором напряженности магнитного поля Нм2ф. Результирующий вектор Нр равен геометрической сумме Нм1 и Нм2ф.
Т.к. результирующий вектор не совпадает с Нм1, то направление, определенное по нему на источник радиоизлучения (нормаль к вектору Нр, радиокурсовой угол a) будет отличаться от истинного курсового угла Q на величину d.
|
Рис. 4. Полукруговая радиодевиация
Из треугольника АВС по теореме синусов имеем:
| sin d/sin a= Нм2ф/Нм1 | (19) |
или:
| sin d= sin a Нм2ф/Нм1 | (20) |
Исходя из малости величины d, допустимо принять:
| sin d»d | (21) |
В результате будем иметь:
| d= В sin a, | (22) |
где В=Нм2ф/Нм1 – коэффициент полукруговой радиодевиации.
Построив графически зависимость (22) (рис. 4), можно увидеть, что за полный цикл изменения радиокурсового угла радиодевиация дважды меняет свой знак. По этой причине она и называется полукруговой.
Следует отметить, что такой характер функции (22) придает неизменность вектора Нм2ф. Он остается постоянным независимо от направления прихода поля радиомаяка (не зависит от курса судна), ввиду того, что вторичный излучатель – ненаправленная (штыревая) антенна.
Функция (22) описывает частный случай полукруговой радиодевиации, когда вторичный излучатель находится в плоскости рамки. При произвольном размещении вторичных излучателей функция примет вид:
| d=В sin a + С cos a, | (23) |
где В и С – коэффициенты полукруговой радиодевиации
Четвертная радиодевиация
Радиодевиацию этого вида вызывают контуроподобные вторичные излучатели. Наиболее характерным здесь является корпус судна. Его рассматривают как эквивалент продольному контуру, образованному надводной частью судна.
Рассмотрим теоретические основы образования четвертной радиодевиации.
Пусть в точке С на диаметральной плоскости судна находится рамка, а вдоль диаметральной плоскости располагается вторичный излучатель контуроподобного типа (рис. 5, контур К). Эта конструкция облучается полем радиомаяка, расположенным под углом Q к диаметральной плоскости.
В точке приёма С на рамку действуют два поля: первичное поле радиомаяка с вектором напряженности магнитного поля Нм1 и поле вторичного излучателя с вектором напряженности магнитного поля Н2. Т.к. вторичным излучателем является контур (контур обладает направленными свойствами приёма), то величина Н2 будет зависеть от направления прихода радиоволны:
| Н2 = Нм2ф cos Q= Нм2фcos (a+d), | (24) |
где Нм2ф–амплитуда магнитного поля вторичного излучателя.
Из треугольника АВС по теореме синусов имеем:
| Sin d/sin a= Н2/Нм1=Нм2ф cos (a+d)/Нм1 | (25) |
или:
| sin d= Нм2ф sin a cos (a+d)/Нм1 | (26) |
Учитывая (21), а также
| a+d»a | (27) |
получим:
| d= Нм2ф/Нм1 sin a cos a | (28) |
Из тригонометрии известно:
| sin a cos a= 0.5 sin 2 a | (29) |
Следовательно:
| d=D sin 2 a, | (30) |
где D=0.5 Нм2ф/Нм1–коэффициент четвертной радиодевиации.
|
Рис. 5. Четвертная радиодевиация
Построив графически зависимость (30) (рис. 5), можно увидеть, что за полный цикл изменения радиокурсового угла радиодевиация четырежды меняет свой знак. По этой причине она и называется четвертной.
Следует отметить, что такой характер функции (30) придает непостоянство вектора Н2. Он изменяется в зависимости от направления прихода поля радиомаяка (зависит от курса судна), ввиду того, что вторичный излучатель – контур.
Функция (30) описывает частный случай четвертной радиодевиации, когда вторичный излучатель находится в плоскости рамки. При произвольном размещении вторичных излучателей функция примет вид:
| d = D sin 2a + E cos 2a, | (31) |
где D и E–коэффициенты четвертной радиодевиации.
Суммарная радиодевиация
В реальных условиях на рамку одновременно воздействуют все имеющиеся на судне вторичные излучатели. Вместе с первичным полем это вызывает появление суммарной радиодевиации, характер которой становится более сложным:
| d = A+B sin a+C cos a+D sin 2a+E cos 2a | (32) |
Появление постоянной составляющей А обусловлено в общем случае смещением рамочной антенны в сторону от диаметральной плоскости. В большой степени проявляется влияние корпуса судна, поэтому суммарная радиодевиация имеет выраженный в той или иной степени четвертной характер.
Незначительно суммарная радиодевиация зависит от крена и дифферента судна, а также от наличия палубного груза. При пеленговании на различных частотах радиодевиация также может изменяться.
Ввиду многообразия вторичных излучателей определение суммарной радиодевиации теоретическим путем затруднительно, поэтому её определяют экспериментально на специальных радиодевиационных полигонах.
Определение радиодевиации
Определение суммарной радиодевиации производится двумя способами: визуальным и азимутальным.
Визуальный способ используется тогда, когда радиомаяк находится в зоне прямой видимости. Процесс определения радиодевиации состоит из четырех этапов.
На первом этапе судно совершает плавную циркуляцию и по замерам с использованием зависимости (18) определяется радиодевиация для четырех основных радиокурсовых углов: 0°, 45°, 90° и 135°.
На втором этапе производится вычисление наиболее весомых коэффициентов уравнения (32). К таковым относятся A, D и E. Приближенные формулы для вычисления названных коэффициентов следующие:
| A=0.5(d0+d90); D=0.5(d45–d135); E=0.5(d0–d90) | (33) |
Третий этап связан с компенсацией (уменьшением влияния) вычисленных коэффициентов. Компенсация их производится в радиопеленгаторе с помощью специально встроенных устройств (электрических или механических).
На завершающем этапе производится определение остаточной радиодевиации. С этой целью судно так же, как и на первом этапе, плавно совершает циркуляцию, но радиодевиация определяется для всех радиокурсовых углов с интервалом 10–15°. По результатам этих замеров строится таблица остаточной радиодевиации, которая используется для поправки снимаемых радиопеленгов во время обсерваций.
Азимутальный способ используется, когда радиомаяк не виден. Процедуры определения радиодевиации аналогичны описанным выше, за тем исключением, что при замерах девиация вычисляется по формуле:
| d=ОП–РП, | (34) |
где ОП – ортодромический пеленг;
РП – радиопеленг.
Недостатком этого способа является необходимость достаточно точной обсервации с целью вычисления ортодромического пеленга.
Судовые радиопеленгаторы
Судовые радиопеленгаторы делятся на слуховые (СРП) и визуальные (ВРП). Основой этого подразделения служит способ регистрации определяемого направления. В СРП направление на источник радиоизлучения определяется по минимуму слышимости сигнала, а в ВРП – по положению изображения сигнала на экране электронно–лучевой трубки.
Как известно, для определения направления на источник радиоизлучения необходима поворотная рамочная антенна. В судовых условиях применение поворотных рамок технически затруднено, и поэтому они заменены системой неподвижных рамок.
Для СРП эти рамки в сочетании со специальным прибором – гониометром образуют приёмогониометрическое устройство, которое является основой СРП. Это устройство в большинстве случаев управляется оператором вручную, однако, в настоящее время находят применение и автоматические СРП, в которых применяют специальные следящие системы для поворота искательной катушки гониометра. В ВРП сигнал каждой рамки проходит через свой приёмный канал, которые имеют в качестве общего оконечного устройства – электронно–лучевую трубку (ЭЛТ) с электростатическим управлением. Такие устройства получили название – двухканальные визуальные радиопеленгаторы (ДВРП).
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 180; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!