Bellini–Tosi riktningssökare
En Bellini–Tosi riktningsmätare ( B–T eller BTDF ) är en typ av radioriktningsmätare (RDF), som bestämmer riktningen till, eller bäringen av, en radiosändare. Tidigare RDF-system använde mycket stora roterande slingantenner , som B–T-systemet ersatte med två fasta antenner och en liten roterande slinga, känd som en radiogoniometer . Detta gjorde RDF mycket mer praktiskt, särskilt på stora fordon som fartyg eller när man använder mycket långa våglängder som kräver stora antenner.
BTDF uppfanns av ett par italienska officerare i början av 1900-talet, och är ibland känd som en Marconi–Bellini–Tosi efter att de slagit sig samman med Marconi Company 1912. BTDF var den vanligaste formen av sjöriktningsfynd från 1920-talet till långt in på 1980-talet och användes som en stor del av tidiga flygnavigeringssystem på långa avstånd från 1930-talet till efter andra världskriget . BTDF-system användes också i stor utsträckning för insamling av militär signalunderrättelse .
Under kriget började nya tekniker som huff-duff ersätta radiogoniometrar i intelligensinsamlingsrollen, vilket minskade tiden som behövs för att ta en korrekt fixering från minuter till sekunder. Möjligheten att billigt bearbeta radiosignaler med hjälp av mikrokontroller gjorde det möjligt för pseudo-dopplerriktningssökare att ta över de flesta av radiogoniometerns återstående roller från 1980-talet. Trots att de inte används idag kan de ursprungliga antennerna för BTDF-system fortfarande ses på många fartyg och båtar.
Historia
Tidig RDF
De tidigaste experimenten i RDF utfördes 1888 när Heinrich Hertz upptäckte riktningen hos en öppen trådslinga som användes som antenn. Han märkte att gnistan som genererades vid det öppna gapet mellan ändarna av slingan var mycket starkare när slingan var ända mot sändaren, och försvann helt när den var riktad mot sändaren.
I början av 1900-talet letade många experimenterande efter sätt att använda detta koncept för att lokalisera positionen för en sändare. Tidiga radiosystem använde i allmänhet långvågs- eller mellanvågssignaler . Långvåg, i synnerhet, hade goda långdistansöverföringsegenskaper på grund av deras begränsade interaktion med marken, och gav därigenom utmärkt storcirkelvägs utbredning av markvågor som pekade direkt mot sändaren. Metoder för att utföra RDF på långvågssignaler var ett stort forskningsområde under 1900- och 1910-talen.
Antenner är i allmänhet endast känsliga för signaler när de har en längd som är en betydande del av våglängden, eller större. Ett vanligt exempel är halvvågsdipolen . För långvågsanvändning resulterade detta i slingantenner tiotals fot på en sida, ofta med mer än en slinga sammankopplade för att förbättra signalen. Detta medförde ett betydande problem när det gällde att arrangera att antennen skulle roteras. Den amerikanska flottan övervann detta problem, till en viss grad, genom att montera långa antenner på fartyg och segla i cirklar.
En lösning på detta problem utvecklades av Marconi -företaget 1905. Denna bestod av ett antal långa horisontella trådar eller stänger anordnade att peka utåt från en gemensam mittpunkt. En rörlig omkopplare kunde ansluta motsatta par av dessa ledningar för att bilda en dipol, och genom att vrida omkopplaren kunde operatören jaga efter den starkaste signalen. Alla dessa system var svårhanterliga och opraktiska för många användningsområden.
Bellini–Tosi
Under experiment 1907 märkte Ettore Bellini och Alessandro Tosi att de kunde få den mottagna signalen att återutstrålas genom att bilda en slinga med flera trådvindar. Genom att använda två slingantenner arrangerade i rät vinkel och två uppsättningar av dessa små trådspolar arrangerade på samma sätt, återskapades riktningsegenskaperna hos den ursprungliga radiosignalen. Riktningsbestämning kan sedan utföras med en konventionell slingantenn placerad i mitten av dessa två statorer (eller fältspolar) ; den roterande slingan var känd som rotorn (eller avkänningsspolen ).
Eftersom fältspolarna var elektriskt kopplade till antennerna kunde de placeras var som helst, och deras storlek var oberoende av våglängden. Detta innebar att RDF nu kunde utföras på de längsta våglängderna med lätthet, med hjälp av antenner av vilken storlek som helst. För långvågsbruk kan de två korsade antennerna enkelt byggas genom att dra fyra ledningar från en enda mast till marken för att bilda triangulära former. När det användes med kortare våglängder visade sig systemet med två korsade slingantenner vara mer mekaniskt robust än en enda roterande. De hade den extra fördelen att antennerna kunde placeras nästan var som helst; tidigare system inkluderade ofta någon form av fjärrmanövrering genom en mekanisk länk, men detta begränsade placeringen av antennen eller mottagarrummet.
Paret sålde patenten till Marconi Company i februari 1912, och Bellini gick med i företaget för att fortsätta utvecklingen. Detta följdes nästan omedelbart med testinstallationer. Den totala signalen som skickades från början till slut var dock liten, och det oförstärkta systemet kunde endast användas med kraftfulla signaler. Tidiga experiment som utfördes ombord på Eskimo och Royal George , såväl som RMS Mauretania var framgångsrika, men räckvidden var begränsad till cirka 15 miles (24 km). Vid tester på USS Wyoming fann den amerikanska flottan att fartygets egen magnetism överväldigade signalen som producerades från avkänningsspolarna, vilket gav en utsignal som antydde att sändaren alltid var framför fartyget.
Lägger till förstärkare
B–T-systemet introducerades ungefär samtidigt som de första trioderna , och Marconi-samarbetet ägde rum samma år som triodens förmåga att förstärka signaler först märktes. År 1920 var användningen av förstärkare i radio utbredd.
Triodförstärkare gjorde att svaga signaler kunde detekteras på ett större avstånd.
Adcock-antenner
Under 1910-talet och början av 1920-talet upptäckte ett antal forskare att kortare våglängdssignaler reflekterades från det som senare skulle kallas jonosfären . Detta gjorde det möjligt för signalen att hoppa över mycket långa avstånd genom att reflektera flera gånger från marken och jonosfären. Detta avsevärt utökade räckvidd, vilket gör att sändare med lägre effekt kan användas för kommunikation med mycket långa avstånd. År 1923 visade ett antal amatörradiooperatörer (hams) utmärkta prestanda på 100 m och startade rutinmässiga transatlantiska kommunikationer nästa år. Detta ledde till att ett antal nya frekvensband definierades i denna kortvågsregion , så korta som 10 m (vilket är mycket långt med dagens mått mätt). År 1930 var dessa frekvenser i utbredd användning för många ändamål.
Kortvågssignaler var ett problem för RDF eftersom skyvågssignalen kan tas emot samtidigt från flera olika hopp, vilket gör att det ser ut som om sändaren befinner sig i flera olika bäringar. Lösningen hade redan studerats, men inte för att lösa detta specifika problem. År 1917 försökte Frank Adcock lösa problemet med att göra stora antenner lämpliga för användning med radiogoniometer även vid de längsta våglängderna. Han utvecklade ett system med fyra mycket höga master, sammankopplade elektriskt för att bilda två virtuella loopar. Detta eliminerade behovet av att koppla ihop antennernas toppar, som annars var svåra att koppla ihop för mycket stora antenner. Det visade sig dock senare att de underjordiska anslutningarna mellan antennerna skyddade dem från himmelsvågor, vilket gjorde att endast den direkta markvågen kunde nå goniometern.
Flyganvändning
Kortare våglängdsband är särskilt användbara för flyganvändning. En antenn som sänder en användbar signal vid långvågsfrekvenser skulle vara större än ett typiskt flygplan (även om Zeppelins inte hade några problem) och ännu högre frekvenser i högfrekvensbanden (HF) och mycket högfrekvensbanden (VHF) var mycket önskvärda.
Begränsningarna av dessa frekvenser för siktlinjekommunikation under dagen var inte ett allvarligt problem för luft-till-mark-användning, där den lokala horisonten kan vara hundratals mil bort för ett flygplan som flyger på även måttliga höjder. Ett bra exempel på fördelarna med kortare våglängder kan ses på Supermarine Spitfire , som startade andra världskriget med en HF-radio som sände från en kabelantenn som sträckte sig från sittbrunnen till toppen av den vertikala stabilisatorn. Detta gav en genomsnittlig luft-till-luft räckvidd på 5 miles (8,0 km) under idealiska förhållanden. Dessa tidiga TR9D-set ersattes av en VHF-uppsättning som använde en liten piskantenn som erbjuder räckvidder i storleksordningen 80 km och hundratals miles i luft-till-mark-läget.
På 1930-talet var användningen av BTDF för långdistansflygplansnavigering vanligt. Ett bra exempel på ett sådant system installerades först i Australien 1934 som en del av det 11 300 miles (18 200 km) MacRobertson Air Race . Två stationer utrustade med Marconi BTDF-uppsättningar och Adcock-antenner sattes upp i Charleville och Melbourne . Framgången med detta system ledde till att ytterligare stationer lades till för att bilda ett nätverk av 17 DF-stationer för långdistansnavigering. År 1945 hade dessa till stor del ersatts av RDF-system i flygplanet, snarare än marken.
Militär användning
B–T-systemet användes också i stor utsträckning av militära styrkor för att bestämma var fiendens radiosändare befinner sig. Detta tog lite tid att utföra, ofta i storleksordningen flera minuter för en bra fix . Detta ledde till olika system för att påskynda sändningen av meddelanden för att göra sådana operationer svåra. Ett exempel var den tyska marinens Kurzsignale-kodsystem som kondenserade meddelanden till korta koder, och det helautomatiska burst-kodningssystemet Kurier som skickade en Kurzsignale på bara ½ sekund.
Ersättning
Det manuella Bellini-Tosi-systemet förblev nästan universellt under andra världskriget utom i Storbritannien och USA.
I USA användes ett system som ursprungligen utvecklades av de franska ITT-laboratorierna i stor utsträckning. ITT-teamet flydde från Frankrike inför den tyska invasionen och förstörde sin utrustning innan de lämnade. De kunde snabbt duplicera sina ansträngningar när de väl nådde USA. Detta system använde en motor för att snabbt snurra en radiogoniometer, samt ge en ingång till elektronik som snurrade X- och Y-ingångarna på ett katodstrålerör (CRT). Detta fick signalen att spåra ett mönster på displayen som kunde användas för att bestämma riktningen för överföringen nästan omedelbart.
I Storbritannien hade högfrekvent riktningssökning (HFDF eller " huff-duff ") till stor del förskjutit BTDF omkring 1943. HFDF använde balanserade förstärkare som matades direkt in i en CRT för att omedelbart visa riktningen direkt från den inkommande signalen, vilket krävde ingen mekanisk rörelse av något slag. Detta gjorde att även de mest flyktiga signalerna kunde fångas och lokaliseras. Displayen, trots att den fungerade enligt helt andra principer, var väldigt lik det amerikanska mekaniska systemet. HFDF var en noga bevarad hemlighet, och blev inte välkänd förrän efter krigsslutet.
Ersättningen av markbaserade BTDF-system i flygrollen berodde i första hand på två faktorer: Den ena var övergången till allt kortare våglängder, vilket förkortade de erforderliga antennerna så att RDF kunde utföras på en liten mottagningsantenn bara några centimeter i längd. Eftersom den äldre tekniken med roterande slinga var praktisk vid dessa frekvenser använde de flesta flygplan en sådan. Det andra framsteg var införandet av den automatiska riktningssökaren (ADF), som helt automatiserade RDF-proceduren. När ett ADF-system väl hade ställts in på en station, antingen en luftvägsfyr eller en AM-radiostation , flyttade de kontinuerligt en pekare för att indikera den relativa bäringen utan någon ytterligare inblandning av operatören.
B–T, och roterande slingor av olika slag, fortsatte att användas under efterkrigstiden av civila. Förbättringar fortsatte att göras av båda systemen under hela denna period, särskilt införandet av solenoider i stället för konventionella slingor i vissa roller. Införandet av dopplerriktningsmätaren, och särskilt den billiga elektroniken för att implementera den, ledde dock till att de traditionella slingsystemen försvann i mitten av 1990-talet. Dopplersystem använder fasta antenner, som BTDF, men hanterar riktningsavkänningen enbart via signalbehandling.
Beskrivning
Antennens riktning
Radiosignaler består av ständigt varierande elektriska och magnetiska fält anordnade i räta vinklar. När magnetfältet passerar ett metallföremål kommer det att göra att elektronerna i metallen börjar röra sig synkront med signalen. Enligt Faradays induktionslag maximeras denna effekt när objektet och fältet är i rät vinkel mot varandra (alternativt kan man tänka sig att det elektriska fältet är i linje med objektet). Även om radiosignaler kommer att fortplanta sig i vilken orientering som helst, för de signaler som betraktas här är utbredningen kraftigt dämpad om magnetfältet inte är vinkelrätt mot marken. Av denna anledning är radioantenner, både sändare och mottagare, normalt vertikala. Sådana signaler sägs vara vertikalt polariserade.
När två eller flera antenner placeras nära varandra gör skillnader i antennernas position att den mottagna radiosignalen ses som skillnader i fas . Till exempel, om de två antennerna är placerade ½ våglängd från varandra, kommer en signal som närmar sig längs linjen mellan dem att ha motsatt fas i de två antennerna, vilket orsakar att motsatta spänningar induceras. Om signalen närmar sig vinkelrätt mot linjen är fasen densamma och spänningarna blir lika.
Om antennernas toppar är sammankopplade kommer nettospänningen att vara noll när antennen är vänd mot signalen, eftersom spänningarna i båda vertikala sektionerna är motsatta varandra. När antennen roteras kommer den lilla skillnaden i fas, och därmed inducerade spänningar, att lämna en nettospänning i kretsen och ström kommer att flyta. Detta maximeras när antennerna är parallella med sändaren. Om man mäter utsignalen i alla vinklar när antennerna roteras i förhållande till signalen, produceras ett mottagningsmönster på siffran åtta, med en skarp nollpunkt och ett utökat område med maximal signal.
Slingantennen använder denna princip i en bekväm och mekaniskt robust form. För vertikalt polariserade signaler är mottagningen på toppen och botten av slingan mycket låg, så det har litet bidrag eller effekt på utgången. Så även om antennen är en komplett slinga, är det bara de vertikala sektionerna som har någon verkan på mottagningen och den fungerar som två åtskilda antenner. För att mäta bäringen för en sändare snurras slingan runt sin vertikala axel tills signalen sjunker till noll, eller noll , vilket är en mycket skarpare signal än maximum.
B–T koncept
Bellini–Tosi-systemet matar ut spänningen från en loop- eller Adcock-antenn till en liten trådspole, fältspolen . Den varierande spänningen som induceras av den mottagna signalen får tråden att återutstråla samma signal. Även om spolen vanligtvis är mycket mindre än våglängden och därför har en liten antennfaktor , förbättrar användningen av många trådslingor i spolen den övergripande signalstyrkan. Den totala energin som utstrålas av spolen är mindre än vad som tas emot på antennen, men den sänder detta till ett mycket mindre fysiskt område, så flödet kan vara mycket högre än den ursprungliga signalen.
Två antenner och två fältspolar används, båda anordnade i rät vinkel mot varandra. Området mellan de två fältspolarna är fyllt med en analog av originalsignalen från antennerna. Avkänningsspolen , en annan slingantenn, placeras i området mellan fältspolarna. Att rotera avkänningsspolen i fältspolarna har samma effekt som att rotera hela slingantennen i det ursprungliga fältet.
Även en liten feljustering av de två orsakar en bias i utdata, en falsk noll . Eftersom detta fixerades som en del av konstruktionen av radiogoniometern var det enkelt att korrigera för detta genom att helt enkelt flytta pekaren. Slipringar eller muttrar användes ofta.
Kopplingsfel
Faktum är att det resulterande fältet i spolarna inte är en exakt analog av originalet. Det skulle vara om fältspolarna bestod av en enda trådslinga, men eftersom de faktiskt består av flera lindningar är dessa i själva verket små solenoider . Det resulterande fältet är då starkast vid lindningarnas kanter och faller (helst) till noll i mitten.
Detta gör att utsignalen stiger och faller runt området i spolarna. Eftersom B–T-systemet förlitar sig på jämförelsen av signalvolymer, resulterar detta i en ojämn utsignal, som stiger och faller var 45:e grader, åtta gånger runt en hel krets. Detta var känt som kopplingsfel eller oktantalfel .
Lösningen på detta problem är att linda avkänningsspolen i två par, vart och ett förskjutet från vardera sidan av mittlinjen med 22,5 grader. Detta gör att felet i den ena spolen är motsatsen till den andra, ett tillstånd som förblir sant runt hela cirkeln. Korrigeringen är aldrig perfekt, de exakta vinklarna måste experimenteras med varje radiogoniometer.
Antennjustering
För att fungera korrekt är det viktigt att båda antennkretsarna är noggrant balanserade. Till att börja med måste antennerna vara identiska, med identiska elektriska egenskaper i ledningarna och längden på ledningarna justerade för att vara lika. Eftersom antennerna har induktans och kapacitans på grund av sin mekaniska layout, är ytterligare induktorer och kondensatorer typiskt insatta i kretsen så att båda antennerna har samma totalsummor för båda. En vanlig teknik för att dynamiskt balansera kretsen var att mata in en extern summersignal till antenningångarna och sedan ställa in kondensatorerna tills signalen i båda var densamma.
Även mindre förändringar i vädret, fysisk layout eller till och med stötar på chassit som innehåller de avstämbara kondensatorerna kan göra att inställningen varierar. Av denna anledning användes en mängd olika system för att minska radiogoniometerns känslighet för felinställning. Primärt bland dessa var det aperiodiska luftkonceptet, som beskrev den mekaniska layouten av radiogoniometerns interna ledningar. Genom att linda avkänningsspolens ledningar runt en vertikal cylinder och koppla fältspolarna i ett liknande arrangemang så nära avkänningsspolen som möjligt, blev hela kretsen kapacitivt kopplad. En enda avstämbar kondensator på utgången från avkänningsspolen kan sedan användas för att ställa in hela systemet.
Senssystem
En nackdel med alla DF-system som använder loopantenner är att antennen är lika känslig på både fram- och baksidan, så det finns alltid en 180 graders tvetydighet i mätningarna - sändaren kan vara på vardera sidan av antennen. För att ta itu med detta lade många DF-system till en extra antenn, avkänningsantennen ( ej relaterad till avkänningsspolen).
En avkänningsantenn består normalt av en enda vertikal antenn som är placerad en bit från de korsade slingorna, i linje med en av de två slingorna, på ett avstånd som är ungefär detsamma som avståndet mellan de två vertikala delarna av slingan. Avkänningsantennens utgång blandas med slingan den är in-line med, genom en omkopplare som gör att den kan slås på eller av. När den är påslagen producerar den en spänning som dämpar utsignalen från den bakre delen av slingan, vilket förstärker den främre delen. Det resulterande mottagningsmönstret modifieras från dess ursprungliga figur-8 till en kardioid.
Det är också möjligt att simulera avkänningsantennen genom att trycka på en matning från slingan den skulle ha varit associerad med. Detta åstadkommes normalt genom att placera ett mittuttag i inställningsspolen och sedan mata in den signalen i kretsen som om den var från en annan antenn. Eftersom mittkranen gör att signalen från båda vertikala sektionerna balanseras, skapar den en signal som liknar en enda vertikal mast. När den används med aperiodiska lindningar måste avkänningskretsen kopplas in i mottagarsidan, tillsammans med avstämningskondensatorn.
Transmissionssystem
Radiogoniometerns riktningsegenskaper fungerar i båda riktningarna; den kan användas för att bestämma riktningen för en inkommande signal, eller ändra riktningen för en överföring. Under tidiga experiment användes denna förmåga för att producera en radiosignal som svepte över himlen som en fyrstråle , vilket gjorde att konventionella radiomottagare kunde bestämma sin plats genom att tajma signalens passage. En typisk lösning var att sända en specifik startsignal, ofta morsekod , för att starta svepet, och långsamt svepa en stadig signal efter det. Operatören tog tid från slutet av startsignalen till maximum i den kontinuerliga tonen och dividerade sedan med rotationshastigheten för att bestämma vinkeln.
Fördelen med B–T-systemet i termer av mekanisk enkelhet var generellt svår att använda i denna roll på grund av den normalt sett lilla mängden energi som det kunde ställa in. Flera konkurrerande system utvecklades också, inklusive rundstrålande antenner med motoriserade trådnätsreflektorer, samt ett Telefunken-system som hade flera dipolantenner periodiskt omkopplade av en stor motoriserad distributör. I slutändan visade sig inget av dessa system vara särskilt populärt, och framgången med B–T-system och små rörliga slingor lämpliga för högre frekvenser som används för flygplanskommunikation gjorde att DF-system kunde bäras på fordonen.
Anteckningar
Citat
Bibliografi
- Baker, WJ (2013). A History of the Marconi Company 1874-1965 . Routledge. ISBN 9781134526079 .
- Keen, R. (1922). Hitta riktning och position via trådlöst (PDF) . Trådlös press.
- Naval Shore Electronics Criteria (PDF) . Amerikanska flottan. mars 1973.
- Howeth, Linwood (1963). Historia om kommunikation-elektronik i den amerikanska flottan . Amerikanska flottan. s. 261–265.
- Salsbury, Annis (mars 1916). "Skydda fartyg med radio" . Populärvetenskap : 451–453.
- Yeang, Chen-Pang (2013). Probing the Sky med radiovågor . University of Chicago Press. ISBN 9780226015194 .