4.7. Особенности образования равносигнального направления в вертикальной плоскости

Особенности образования равносигнального направления в вертикальной плоскости возникают в том случае, когда поверхность земли влияет на форму диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Такой случай имеет место тогда, когда диаграмма направленности пересекает поверхность земли (рис. 4.27). Действительно, в этом случае напряжение на входе приемника будет

где U₁ и U₂ - напряжения на входе приемника от прямого луча и луча, отраженного от поверхности земли,

φ - разность фаз напряжений U₁ и U₂.

Рис. 4.27. К влиянию поверхности земли на диаграмму направленности в вертикальной плоскости

Напряжения U₁ и U₂ можно представить как

где β₀ - угол места направления максимума диаграммы направленности,

F - модуль коэффициента отражения.

Разность фаз между напряжениями U₁ и U₂ можно представить как

где φ_px - разность фаз, вызванная разностью хода лучей в пространстве,

φ_от - сдвиг фазы, возникающий при отражении от поверхности земли (аргумент коэффициента отражения).

Тогда

Следовательно, диаграмма направленности в вертикальной плоскости с учетом влияния земли будет

В частном случае, когда β₀ = 0,

Модуль и аргумент коэффициента отражения зависят от величины угла места, вида поляризации и электрических параметров поверхности земли. Представление о зависимости F и φ_от от перечисленных факторов при отражении от ровной поверхности можно получить из кривых, приведенных на рис. 4.28. Сплошные кривые справедливы для горизонтально поляризованного поля, пунктирные - для вертикально поляризованного поля.

Рис. 4.28. Зависимость модуля и аргумента коэффициента отражения от угла места

При горизонтальной поляризации F ≅ 1 и φ_от ≅ π.

Поэтому

Из рис. 4.27 следует, что разность хода лучей

где h - высота расположения антенны.

Следовательно,

Тогда

Итак, если диаграмма направленности в вертикальной плоскости широкая, что обычно имеет место на метровом диапазоне радиоволн, то влияние земли на форму диаграммы будет сказываться в пределах сравнительно большого угломестного сектора. В этих условиях равносигнальное направление в вертикальной плоскости может быть образовано методом трех антенн, разнесенных по высоте.

Для изменения угла места равносигнального направления применяется специальное устройство, называемое гониометром. На волнах метрового диапазона и длиннее гониометр обычно выполняют в виде вращающегося высокочастотного трансформатора, состоящего из двух статорных катушек и одной роторной (рис. 4.29). Статорные катушки гониометра располагаются перпендикулярно друг к другу. Роторная катушка располагается внутри статорных и может быть повернута относительно них на любой угол.

Рис. 4.29. Устройство гониометра

Образование равносигнального направления методом трех антенн, разнесенных по высоте, сводится к следующему. Допустим в целях простоты рассмотрения, что все три приемные антенны, рассчитанные на прием горизонтально поляризованного поля, идентичны, а их диаграммы направленности в вертикальной плоскости без учета влияния земли симметричны относительно линии горизонта.

Тогда напряжение на выходе каждой из антенн согласно формуле (4.41) будет

где h₁, h₂ и h₃ - высоты расположения первой, второй и третьей антенн.

Пусть напряжения U₁ и U₂ поступают на статорные обмотки гониометра (рис. 4.30), а напряжение U₃ поступает непосредственно на вход приемника. Напряжение с роторной катушки гониометра через входной переключатель также поступает на вход приемника.

Рис. 4.30. Образование равносигнального направления в вертикальной плоскости методом трех антенн

Тогда напряжение на входе приемника будет

В свою очередь

где I‾₁ и I‾₂ - токи в первой и второй статорных катушках,

М₁ и М₁ - взаимные индуктивности между роторной катушкой и каждой из статорных катушек.

Взаимные индуктивности М₁ и М₁ зависят от углового положения роторной катушки относительно статорных. Если статорные катушки гониометра идентичны, а магнитные поля, создаваемые каждой из них равномерны, то

где M_макс - максимальное значение взаимной индуктивности между роторной и одной из статорных катушек, а

γ - угол между плоскостями первой статорной и роторной катушек.

Тогда

Токи в статорных катушках будут

и

где Z‾₁ и Z‾₂ - полные сопротивления цепей первой и второй статорных катушек.

Поэтому

Если напряжения U‾₁ и U‾₂ находятся в фазе или противофазе, а Z‾₁ = Z‾₂, то токи в статорных катушках будут так же в фазе или противофазе. В этом случае результирующее магнитное поле статорных катушек будет линейно поляризованным, что дает возможность сфазировать напряжения U_рот и U₃ так, чтобы они оказались в фазе или в противофазе.

Тогда

где

Подставив значения U₁, U₂ и U₃, подучим

Поэтому пеленгационные характеристики, соответствующие двум положениям входного переключателя, будут

Аналогичным путем может быть найдена пеленгационная характеристика для случая, когда антенны А₁, А₂ и А₃ не являются идентичными.

Равносигнальное направление будет при таком значении угла места, при котором

Откуда

Из полученного выражения видно, что угловое положение равносигнального направления в вертикальной плоскости зависит от углового положения роторной катушки. Вращая роторную катушку, можно добиться совпадения равносигнального направления с направлением на цель. Следовательно, угол места цели можно определить по величине угла γ, при котором напряжение, снимаемое с роторной катушки гониометра, равно нулю.

На рис. 4.31 представлен график зависимости угла места равносигнального направления от угла γ при h₁ = 3λ и h₂ = 2λ.

Рис. 4.31. Зависимость угла места равносигнального направления от положения роторной катушки гониометра

Если из схемы, представленной на рис. 4.30, исключить третью антенну и входной переключатель, то можно угол места цели определять методом минимума.

Следует иметь в виду, что соотношение (4.44) справедливо только для случая, когда результирующее магнитное поле статорных катушек линейно поляризовано. Как уже отмечалось, такая поляризация поля будет в том случае, когда напряжения U₁ и U₂ находятся в фазе или противофазе, а полные сопротивления цепей первой и второй статорных катушек равны между собой. Если эти условия не будут выполнены, то возникнет эллиптическая поляризация результирующего магнитного поля статорных катушек гониометра. В этом случае при вращении роторной катушки напряжение U_рот будет меняться в пределах от U_{рот мин} до U_{рот макс}, т. е. U_рот не будет равно нулю ни при каком значении угла γ.

Напряжения U₁ и U₂ будут точно находиться в фазе или противофазе только при идеально отражающей поверхности. В реальных условиях разность фаз напряжений U₁ и U₂ будет несколько отличаться от нуля или я, причем при горизонтальной поляризации это отличие будет значительно меньше, чем при вертикальной поляризации. Поэтому рассматриваемый метод образования равносигнального направления реализуется только при горизонтальной поляризации. Однако и в этом случае напряжения U₁ и U₂ не будут строго в фазе или противофазе, в силу чего U_{рот мин} не будет равно нулю. В этих условиях для образования равносигнального направления необходимо напряжения U₃ и U_{рот мин} сфазировать так, чтобы они оказались в квадратуре. Тогда напряжение на входе приемника при переключении входного переключателя не будет изменяться.

При вращении роторной катушки в эллиптически поляризованном поле будет меняться не только величина напряжения U_рот, но и его фаза. Это означает, что напряжения U₃ и U_рот будут в квадратуре только при таком положении роторной катушки, при котором U_рот = U_{рот мин}. При других положениях роторной катушки напряжения U₃ и U_рот не будут в квадратуре и, следовательно, напряжение на входе приемника при переключении входного переключателя будет изменяться.

Рассмотренная конструктивная форма гониометра не является единственной. Можно выполнить гониометр из двух отрезков длинных линий, закороченных на концах, и подвижного моста (рис. 4.32).

Рис. 4.32. Схема гониометра на длинных линиях

Если антенны согласованы с отрезками длинных линий и со входом приемника, то напряжение на входе приемника будет

где

Как видим, напряжение на выходе такого гониометра зависит от величины x так же, как и напряжение роторной катушки от угла γ.

Рассмотренный метод образования равносигнального направления обладает рядом недостатков, основными из которых являются, во-первых, сравнительно малый диапазон измеряемых углов места, во-вторых, зависимость формы диаграммы направленности в вертикальной плоскости от характера отражающей поверхности и, в-третьих, сравнительно низкая точность определения угла места. Поэтому такой метод образования равносигнального направления используется в настоящее время сравнительно редко.