Амплитудно-фазовые радиопеленгаторы

В амплитудно-фазовом пеленгаторе информация об угле рассогласования заключена в амплитуде принимаемого сигнала, а информация о знаке угла – в его фазе. Примером амплитудно-фазового пеленгатора может служить автоматический радиокомпас (АРК).

В амплитудно-фазовом пеленгаторе используются направленные свойства рамочной антенны. Диаграмма направленности этой антенны в горизонтальной плоскости показана на рис. 18, а, где – угол между направлением на радиостанцию и перпендикуляром к плоскости витков рамочной антенны (осью рамочной антенны ).

Допустим, что поле пеленгуемой радиостанции в месте установки антенной системы вертикально поляризованное, т. е. присутствует только вертикальная составляющая электрического поля. Тогда можно представить рамку как антенну, состоящую из двух, разнесённых на расстояние , вертикальных вибраторов (, ) с противофазным подключением к нагрузке (рис. 20, где – центральный вибратор).

Результирующая ЭДС такой антенны равна разности ЭДС, наводимых в вибраторах (например, в направлении север-юг) равна

.

(46)

 

где – ЭДС наводимые в вибраторах и

 

Рисунок 20 Упрощенная схема рамочной антенны

 

Допустим, что фронт волны сигнала пеленгуемой радиостанции при­ходит под углом относительно северного направления (рис. 21, а)

 

а)

б)

 

Рисунок 21 Векторная диаграмма ЭДС, наводимых в рамочной антенне

 

Если расстояние между вибратором и центральной антенной равно , то фронт волны достигает центрального вибратора спустя время

 

.

(47)

 

К этому моменту фаза поля у вибратора уже будет отличаться от начальной на величину

.

(48)

 

Если напряжённость поля у центральной антенны принять равной

 

.

(49)

 

то в момент , когда фронт волны достигает центральной антенны, напряжённость поля в месте расположения вибратора равна

 

.

(50)

 

Напряжённость поля в месте вибратора в тот же момент

 

.

(51)

 

Электродвижущие силы, которые наводятся в вибраторах, равны

,

(52)

 

,

(53)

 

,

(54)

 

где ;

– действующая высота вибратора.

Векторная диаграмма ЭДС в элементах антенной системы радиопеленгатора показана на рис.21, б. Вектор результирующей ЭДС рамочной антенны опережает вектор ЭДС центральной антенны на 90°.

Считая сигнал радиостанции смодулированным, получим для результирующего напряжения рамочной антенны выражение

,

(55)

где ;

;

– коэффициент, зависящий от параметров схемы;

– амплитуда напряженности поля в месте расположения рамки;

– число витков рамки.

При выводе уравнения (3.55) учитывалось, что для средневолнового диапазона (рабочего диапазона АРК) всегда справедливы соотношения

.

(56)

 

Амплитуда результирующего напряжения рамки зависит от угла рассогласования . Вектор результирующего напряжения рамки сдвинут по фазе на относительно вектора напряжённости электрического поля. Для определения фазы результирующего напряжения рамочной антенны используется напряжение , наводимое в центральной антенне

 

,

(57)

 

которое совпадает по фазе с напряжённостью поля в точке установки антенны. На самолёте не удаётся расположить центральную (ненаправленную) антенну в центре рамочной антенны. Поэтому будет дополнительный фазовый сдвиг между напряжённостями поля, наводящими ЭДС, в рамочной и ненаправленной антеннах. Этот фазовый сдвиг равен

 

,

(58)

 

где – расстояние между центром рамки и ненаправленной антенной.

Расстояние на самолёте невелико, поэтому можно считать, что дополнительный фазовый сдвиг близок к нулю. Напряжение от ненаправленной антенны используют в качестве опорного для определения фазы результирующего напряжения рамочной антенны. С этой целью модулируют выходное напряжение рамочной антенны с помощью сигнала от местного генератора, а затем производят сложение полученных после модуляции колебаний с колебаниями от ненаправленной антенны.

Наиболее эффективным сложение будет при разности фаз, равной или , когда геометрическое сложение векторов может быть заменено алгебраическим. Поэтому необходимо компенсировать фазовый сдвиг между и . Это осуществляется в канале рамки (или в канале ненаправленной антенны) специальными фазосдвигающими устройствами.

Упрощённая функциональная схема амплитудно-фазового радиопеленгатора приведена на рис. 22. Графики напряжений в соответствующих точках пеленгатора показаны на рис. 23.

Сигнал, пропорциональный углу , снимается с рамочной антенны РА и поступает на усилитель У. Фазовый сдвиг и ликвидируется в усилителе У. Усиленный сигнал рамки модулируется по амплитуде в балансном модуляторе БМ. Модулирующее низкочастотное напряжение подаётся с генератора опорного напряжения ГОН. Фаза напряжения меняется на 180° при переходе модулирующего напряжения через ноль. На входной контур приёмника, называемый контуром сложения КС, поступают напряжения с балансного модулятора и ненаправленной антенны (НА) . Амплитуда напряжения устанавливается, например, равной амплитуде при приёме в направлении максимума диаграммы рамочной антенны.

 

Рисунок 22 Функциональная схема амплитудно-фазового радиопеленгатора

 

Напряжение на выходе контура сложения и_кс равно

 

,

(59)

 

где – коэффициент модуляции;

– частота генератора опорного напряжения.

Напряжение на выходе контура сложения оказывается модулированным по амплитуде. Частота модуляции определяется генератором ГОН. Глубина модуляции зависит от амплитуды напряжения рамочной антенны т. е. от угла рассогласования . С уменьшением угла рассогласования глубина модуляции уменьшается, т. к. уменьшается напряжение . При глубина модуляции равна нулю. Поэтому этот метод носит назва­ние метода минимума глубины амплитудной модуляции.

Фаза огибающей может принимать два значения и в зависимости от знака угла рассогласования, т. к. фаза высокочастотного сигнала изменяется на при смене знака угла рассогласования.

Продетектированный в приёмнике сигнал фильтруется фильтром Ф, не пропускающим колебания с частотами, отличающимися от частоты модуляции , и подаётся на фазовый детектор ФД. В качестве опорного сигнала ФД использует напряжение ГОН.

Постоянное напряжение с фазового детектора (амплитуда пропорциональна значению угла рассогласования , полярность – знаку угла ) преобразуется в усилителе-преобразователе УП в напряжение частоты 400 Гц. Амплитуда преобразованного напряжения определяется значением, а фаза – знаком .

Преобразованное напряжение приводит во вращение электродвигатель ЭД привода рамки. Рамка вращается с угловой скоростью до тех пор, пока действует напряжение , т. е. до тех пор, пока существует угол рассогласования . В результате этого ось рамочной антенны ОА совмещается с направлением на радиостанцию.

Двум минимумам напряжения рамочной антенны соответствуют два положения равновесия следящей системы. Одно из них неустойчивое. С помощью электрической системы передачи данных СПД угол поворота рамки передаётся на индикатор курсового угла радиостанции (КУР).

При рассмотрении принципа действия амплитудно-фазового пеленгатора считалось, что принимаемый сигнал не модулирован. Если принимаемый сигнал имеет амплитудную модуляцию, то на выходе приёмника, кроме составляющей с частотой , действуют составляющие с частотами модуляции.

Эти составляющие должны подавляться фильтром Ф и фазовым детектором ФД. Поэтому, в целях предупреждения нарушения работы пеленгатора, следует так выбирать частоту генератора ГОН, чтобы она была ниже возможных частот модуляции сигнала.

Точность пеленгатора в существенной степени зависит от структуры поля в месте расположения рамочной антенны. Любое искажение поля вызывает появление ошибки.

Наиболее типичными причинами искажения структуры поля следует считать ненормальную поляризацию принимаемого сигнала и интерференцию поля пеленгуемой радиостанции, а также полей, создаваемых различного рода переизлучателями летательного аппарата. Приём ненормально поляризованного сигнала сопровождается появлением поляризационной ошибки.

Ошибка радиодевиации является результатом искажения поля вследствие интерференции. Погрешность измерения курсового угла такими пеленгаторами составляет ± 2°.