Принцип дії радіогоніометричної антени

 

Принцип дії радіокомпаса полягає у використанні спрямованих властивостей комбінованої антенної системи, яка складається з двох антен: антени спрямованої дії та неспрямованої антени (рис. 2.22).

До складу спрямованої антени входять дві взаємно перпендикулярні нерухомі рамкові антени (I і II) та гоніометр. Рамкові антени розміщені таким чином, що поздовжня вісь однієї з них суміщається з поздовжньою віссю літака.

Гоніометр являє собою електромагнітний пристрій, що має дві взаємно перпендикулярні нерухомі польові котушки (І та ІІ) і рухому пошукову котушку (ПК), яка розміщена у просторі між польовими котушками. Кожна з польових котушок гоніометра з’єднана з відповідною рамковою антеною. Кожна з рамкових антен має спрямовані властивості приймання радіохвиль і має діаграму спрямованості у вигляді двох дотичних кіл («вісімка»). Функції спрямованості рамкових антен I і II мають відповідно вигляд F _І(Θ) = cos Θ, F _ІІ(Θ) = sіn Θ, де Θ – кут надходження радіохвиль, тобто кут між поздовжньою віссю літака і напрямком на радіостанцію (ККР).

Нехай радіостанція, яка пеленгується, створює в точці приймання напруженість поля e = E_m sіn ω₀ t. Тоді електрорушійні сили (ЕРС), які утворюються в першій е _I та другій е _II рамкових антенах визначаються:

 

e = F _І(Θ) E_m sіn ω₀ t = E_m cos Θ sіn ω₀ t;

 

e = F _ІІ(Θ) E_m sіn ω₀ t = E_m sіn Θ sіn ω₀ t,

 

де F _І(Θ) = cos Θ – діаграма спрямованості першої рамкової антени;

F _ІІ(Θ) = sіn Θ – діаграма спрямованості другої рамкової антени;

E_m – максимальне значення ЕРС.

 

Рис. 2.22. Радіогоніометрична антена

 

Під дією утворених ЕРС у польових котушках гоніометра протікають струми і ₁ та і ₂, які створюють відповідні магнітні потоки Ф₁ та Ф₂:

 

Ф₁ = Ф _m cos Θ sіn ω₀ t;

 

Ф₂ = Ф _m sіn Θ sіn ω₀ t,

 

де Ф _m – максимальне значення магнітного потоку.

Вектори магнітних потоків Ф₁ і Ф₂ перпендикулярні площині витків відповідних польових котушок гоніометра. Результуючий вектор магнітного потоку Ф_Р є геометричною сумою двох взаємно перпендикулярних векторів Ф₁ і Ф₂. Величина сумарного вектора магнітного потоку постійна, не залежить від кута надходження радіохвиль і дорівнює Ф _m. Дійсно,

де Ф_{1 m} та Ф_{2 m} – амплітудне значення першого і другого магнітних потоків відповідно.

Напрямок результуючого вектора Ф_Р у просторі визначається кутом Ψ між вектором Ф_Р і перпендикуляром до площини витків першої польової котушки, який збігається з вектором Ф₁. Кут Ψ знайдемо зі співвідношення

тобто Ψ = Θ.

Таким чином, напрямок вектора результуючого магнітного потоку утворює з нормаллю до площини витків першої польової котушки гоніометра І (рис. 2.22) точно такий же кут Θ, який є кутом між напрямком надходження радіохвиль і подовжньою віссю літака (тобто кут ψ дорівнює курсовому куту радіостанції).

При зміні кута надходження радіохвиль змінюється співвідношення між векторами Ф₁ та Ф₂ і тому вектор результуючого магнітного потоку Ф_Р у гоніометрі, зберігаючи свою величину, змінює свій напрямок. Одже, положення вектора Ф_Р у гоніометрі відображає кут надходження радіохвиль від радіостанції.

У пошуковій котушці, яка розміщена у результуючому магнітному полі, утворюється електрорушійна сила

 

e _ПК = E_m cos β sіn ω₀ t,

 

де β = Ψ – α – кут розузгодження, утворений перпендикуляром до площини витків пошукової котушки і результуючим вектором магнітного потоку Ф_Р;

α – кут між перпендикулярами до площини витків першої польової котушки і пошукової котушки.

Аналізуючи вираз для ЕРС e _ПК можна зробити висновок, що при обертанні пошукової котушки в ній утворюється ЕРС, амплітуда якої змінюється за косинусоїдальним законом у залежності від кута розузгодження β (рис. 2.23).

Максимуми ЕРС з’являються тоді, коли площина витків пошукової котушки буде розташована перпендикулярно вектору Ф_Р (силові лінії магнітного поля пронизують витки пошукової котушки), а мінімуми – коли площина витків пошукової котушки буде збігатися з напрямком вектора Ф_Р (силові лінії поля паралельні площині витків).

Таким чином, амплітуда ЕРС у пошуковій котушці дорівнює нулю при двох положеннях пошукової котушки: при β = 90° і при β = 270°. При куті розузгодження 0 < β < 90° і 270° < β < 360° фаза електрорушійної сили у пошуковій котушці позитивна, а при 90° < β < 270° фаза негативна (рис. 2.23).

 

 

Рис. 2.23. Діаграми напруг у радіогоніометричній антені

 

Отже, можна зробити висновок, що радіогоніометрична антена за своїми спрямованими властивостями еквівалентна одиночній рамковій антені, тобто діаграма спрямованості радіогоніометричної антени має вигляд «вісімки» (рис. 2.24, крива 1).

У радіокомпасі кут приходу радіохвиль (ККР) можна було б визначати за мінімумом амплітуди ЕРС у пошуковій котушці. Однак при такому визначенні буде неоднозначність відліку кута внаслідок наявності двох положень пошукової котушки, при яких амплітуда ЕРС Е_{m ПК}дорівнює нулю.

 

 

Рис. 2.24. Діаграма спрямованості комбінованої антенної системи

 

Для усунення неоднозначності у визначенні ККР у радіокомпасі застосована комбінована антена, діаграма спрямованості якої є геометричною сумою діаграм спрямованості неспрямованої антени (НА) (рис. 2.24, коло 2) і спрямованої радіогоніометричної антени (РГА) (рис. 2.24, «вісімка») та являє собою кардіоїду (рис. 2.24, крива 3). Кардіоїда має один мінімум і один максимум. Аналітичний вираз для діаграми спрямованості комбінованої антенної системи (кардіоїди) F _к(Θ) має вигляд

F _к(Θ) = F _НА(Θ) + F _РГА(Θ) = 1 + sin Θ,

де F _НА(Θ) = 1 – діаграма спрямованості неспрямованої антени;

F _РГА(Θ) = sinΘ – діаграма спрямованості радіогоніометричної антени.

Для визначення курсового кута радіостанції прийнятий антенами високочастотний сигнал від пошукової котушки гоніометра та від неспрямованої антени надходить до входу радіокомпаса (рис. 2.25). У результаті перетворення прийнятих радіосигналів на виході радіокомпаса утворюється напруга управління u _упр, під дією якої починає працювати двигун, що обертає пошукову котушку гоніометра. При зміні положення пошукової котушки змінюється амплітуда ЕРС пошукової котушки і, як наслідок, напруга управління u _упр. Двигун працює доти, доки напруга управління стане дорівнювати нулю. При цьому пошукова котушка займає таке положення, при якому напруга на ній дорівнює нулю. Кут повороту пошукової котушки за допомогою слідкуючої системи передається до покажчика радіокомпаса, по шкалі якого відносно стрілки знімаються показання курсового кута радіостанції.