книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

Такие стандарты частоты, называемые квантовыми (а также атомными или молекулярными), обладают нестабильностью не более 10~1 3 в течение суток. Они используются в качестве первичных эталонов и предназначены для периодической проверки частот вторичных эталонов. Вторичными эталонами частоты являются высокостабиль­ ные кварцевые генераторы с нестабильностью порядка 10"1 0 : Частота вторичных эталонов используется в качестве несущей частоты неко­ торых широковещательных радиостанций, благодаря чему стано­ вится возможным контролировать частоты при наличии специаль­ ного приемника практически в любом месте. Если точность изме­ рения частоты не превосходит 10" 6 —10~7 , то в качестве образцового генератора обычно используют местный кварцевый генератор (опор­ ный генератор, кварцевый калибратор), частота которого периоди­ чески поверяется по вторичному эталону.

При измерениях частоты возможны два случая: а) собственно измерение частоты, когда определяется неизвестная частота какоголибо колебания; б) контроль частоты генератора по частоте более стабильного генератора. В последнем случае говорят об эталониро­ вании частоты. Способы сравнения частот подразделяются на осциллографические, резонансные, биений, гетеродинные, счетно-импульс­ ные (цифровые) и др.

Распространенной разновидностью осциллографического способа сравнения частот является метод фигур Лиссажу. В этом способе напряжение неизвестной частоты подается на одну пару отклоня­ ющих пластин электронно-лучевой трубки, а напряжение извест­ ной частоты — на другую пару пластин. При некратном отношении частот на экране наблюдается постоянно меняющаяся картина и срав­ нение частот невозможно. При целочисленном отношении частот на экране трубки наблюдаются устойчивые фигуры Лиссажу, вид которых зависит как от отношения частот приложенных напряжений, так и от их разности фаз. Например, при отношениях частот 1 : 1 , 1 : 3 и 2 : 3 для разностей фаз, равных 0 и 90°, фигуры Лиссажу имеют вид, изображенный на рис. 77. Отношение частот колебаний, неза­ висимо от их разности фаз, равно отношению числа точек пересе­ чения фигуры Лиссажу с прямой, проведенной параллельно оси абсцисс, к числу точек пересечения фигуры с прямой, проведенной параллельно оси ординат так, чтобы прямые не проходили через узлы фигуры (под узлами понимаются точки пересечения линии, образующей фигуру Лиссажу).

Если отношение частот незначительно отличается от целочислен­ ного, то на экране наблюдается медленно изменяющаяся фигура Лиссажу, соответствующая блия^айшему целочисленному отноше­ нию частот с медленно меняющейся фазой. Если, в частности, отно­ шение частот близко к 1 : 1, то на экране наблюдается эллипс пере­ менной формы, в некоторые моменты вырождающийся в прямую.

150

измеряемой частоты (рис. 79). При помощи переменного кон­ денсатора, снабженного проградуированной в единицах частоты шкалой или соответствующей таблицей, контур волномера настраи­ вают в резонанс измеряемой частоте. В момент резонанса ток кон­ тура достигает максимального значения, что устанавливается с~ по­ мощью стрелочного индикатора — обычно термоэлектрического галь­ ванометра. Точность резонансного метода невелика —порядка 10"3 ,

поэтому в радиогеодезических системах в описанном виде он не применяется. Этот способ обеспечивает удовлетворительную точ­ ность при измерениях на сверхвысоких частотах, когда другие спо­ собы оказываются непригодными. При этом колебательный контур

заменяют объемным резонатором, связанным с источником колебаний через петлю связи, перестройку резонатора производят плунжером, положение которого и указывает значение частоты. Для обеспечения необходимой точности измерительную систему часто герметизируют и термостатируют.

Высокую точность измерений обеспечивают гетеродинные часто­

разности, которая перестройкой гетеродина приводится к нулевому значению. Блок-схема гетеродинного частотомера изображена на

152

рис. 80, из которого видно, что выделяемые в смесителе колебания

емая частота, остающаяся в процессе измерений неизменной, прямой fx. Тогда при плавном увеличении отсчета по шкале гетеродина одно­ временно будет возрастать его частота, приближаясь к определя­ емой частоте. При этом оператор не будет слышать звука, пока при отсчете й[ частота не станет равной /і, а разностная частота достиг­ нет верхней границы диапазона звуковых частот, воспринимаемых ухом (20 кГц), обозначенного на рис. 81 наклонной штриховкой.

/

Р и с . 81

Начиная с этого отсчета оператор слышит в телефон звук, тон кото­

низкой частоты оператором не воспринимается, имеют место «нуле­ вые» биения. При переходе частоты гетеродина через значение, рав­ ное неизвестной частоте, те же явления наблюдаются в обратном

ложены симметрично относительно определяемой частоты /А . По­

153

При измерении частоты в последние годы широкое применение находят счетно-импульсные частотомеры. Принцип действия этих приборов (рис. 82) аналогичен-принципу, на котором построены измерители времени, описанные в § 13, и измерители фазы, рассмот­

шенной стабильности, делитель частоты, формирователь импульсов I I и устройство управления образуют канал управления. Частота

кварцевого генератора в таком устройстве должна быть много ниже измеряемой частоты. Колебания от генератора измеряемой частоты после их преобразования в формирователе импульсов I в виде пери­ одической последовательности импульсов непрерывно поступают на селектор. Счет импульсов начинается после того, как через дели­ тель частоты и формирователь импульсов I I на управляющее устрой­ ство поступит первый импульс с кварцевого генератора. Счет им­ пульсов прекращается, когда на устройство управления поступит второй импульс с формирователя импульсов П. Таким образом счет­ чик импульсов определит число периодов определяемой частоты, соответствующее одному периоду напряжения, снимаемого с выхода делителя частоты или, что то же самое, — во сколько раз измеря­ емая частота больше частоты, снимаемой с выхода делителя. Искомая частота / поэтому определится по формуле

в которой п — показание счетчика, a F — частота на выходе дели­ теля частоты.

Г л а в а V I I ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВЫХ ВЕЛИЧИН

§ 21. НАПРАВЛЕННОСТЬ А Н Т Е Н Н

Измерение углов при помощи радиоэлектронных средств (ра­ диопеленгация) сводится к определению направления на источник радиоволн, излученных или переизлученных некоторым объек­ том. В общем случае определение направления на некоторую точку

155

состоит в измерении двух углов, а именно: азимута (пеленга) и высоты (угла наклона). Для определения направлений применяется как импульсный метод, так и метод непрерывного излучения (амплитуд­ ный, фазовый или частотный). Для определения направления на дви­ жущийся предмет применяют также системы, в которых используется допплеровское смещение частоты. Основное применение радиопелен­ гация находит в навигации на море и в воздухе.

Наибольшее применение получили амплитудные системы, в ос­ нову действия которых положены направленные свойства антенн. Эти свойства характеризуются диаграммой направленности, т. е. зависимостью напряженности излучаемой или принимаемой антенной энергии от направления. Обычно различают диаграммы направлен­ ности в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Чаще всего диаграммы строят в полярной системе координат с началом в центре излучения антенны и с осью, направленной по линии максимальной напряженности Fmax. Измерив (или вычислив) в разных направлениях, но на одинаковом расстоянии от антенны величины напряженности, откладывают вдоль соответствующих направлений пропорциональ­ ные им расстояния и полученные точки соединяют плавной кривой. Для наглядного сравнения разных антенн характеристики их обычно

^тах

излучения это отношение равно единице, а во всех других напра­ влениях меньше единицы. Диаграмму направленности аналитиче­ ски можно представить в форме

•C-max

где Ѳ — направление излучения.

Вид диаграммы направленности зависит от конструкции антенны и фазовых соотношений между токами в ее проводах. На рис. 83, а показана пространственная диаграмма направленности полуволно­ вого излучателя, применяемого в качестве простейшей антенны, а также в качестве элемента сложных антенн. Диаграмма имеет форму тороида. Из рисунка видно, что вибратор совершенно не излу­ чает энергии вдоль своей оси и максимально излучает в направлении, перпендикулярном к оси. На рис. 83, б показана диаграмма на­ правленности, построенная в плоскости, проходящей через ось

Основными характеристиками направленности антенны являются коэффициент направленности G и ширина диаграммы направленности а. Коэффициент направленности показывает, во сколько раз мощ­ ность, излучаемая антенной в направлении максимального излуче-

156

ния, больше мощности, которая излучалась бы в любом направлении изотропной антенной при той же общей излучаемой мощности. Коэффициент направленности можно найти по формуле

где Р — общая излучаемая мощность, Етах — напряженность элект­ рического поля в направлении максимального излучения на рас­ стоянии D от источника излучения; А — эффективная площадь антенны и Я — длина радиоволны. Ширину диаграммы направлен­ ности характеризуют углом а на диаграмме, внутри которого на­ пряженность поля не менее 0,71Етах. Для полуволнового вибратора

Рис . 83

G = 1,64 и ос = 90° (см. рис. 83, б). Для антенн, имеющих узкую диаграмму направленности, G достигает нескольких тысяч. В об­ щем случае, чем меньше ширина диаграммы направленности, тем больше плотность энергии при одной и той же мощности излучения и, следовательно, тем большую дальность имеет радиостанция.

Для измерения углов амплитудным методом одним из важнейших требований является узкая диаграмма направленности антенны в горизонтальной (для измерения азимута) или в вертикальной (для измерения угла наклона) плоскостях. В этом случае обеспечи­ вается высокая разрешающая способность станции по направлению и более высокая точность измерения углов. Узконаправленное излу­ чение важно также для наземных радиодальномеров, так как в этом случае обеспечивается большая дальность действия дальномера и уменьшается влияние на точность измерения отраженных от под­ стилающей поверхности колебаний. Узконаправленное излучение выгодно и для радиовысотомеров, применяемых при аэрофотосъемке, так как при этом отражение происходит от меньшего участка земной поверхности. В самолетных радиогеодезических системах, использу­ емых для плановой привязки аэрофотоснимков, наоборот, выгоднее применять широконаправленное излучение, при котором обеспе­ чивается возможность засечки самолета на значительном простран­ стве, без переориентирования антенн наземных станций.

157

Одиночный элементарный излучатель как самостоятельную ан­ тенну в радиолокации применяют сравнительно редко из-за значи­ тельной ширины диаграммы направленности, а также вследствие двусторонней направленности излучения. Для получения одно­ сторонней направленности с узкой диаграммой применяют более сложные антенны: многовибраторные, рупорные, щелевые и др. В радиолокации диаграммы направленности антенн часто имеют сложную многолепестковую форму (рис. 84). При приближенных расчетах аппроксимируют основной лепесток диаграммы косинусо­ идой с уравнением

Р и с . 84

Для ультракоротких дециметровых и сантиметровых волн в гео­ дезических радиодальномерах часто применяют антенны с полувол­ новым вибратором в качестве первичного источника излучения и параболическим отражателем. Ширина диаграммы направленно­ сти такой антенны определяется по формуле

где а — размер рефлектора (диаметр выхода). Для этого же диапа­ зона волн применяют рупорные антенны с прямоугольным сечением, ширина диаграммы направленности которых в плоскости электри­ ческого вектора равна

правления на объект называют пеленгационной характеристикой. В случае, если используются направленные свойства только прием­ ной антенны (например, при пеленгации излучающего объекта), пеленгационная характеристика будет одинаковой с диаграммой направленности этой антенны. В случае использования при пелен­ гации как приемной, так и передающей антенн (при пассивном отра­ жателе) пеленгационная характеристика Е (Ѳ) будет

158

как на прием, так на передачу, что является наиболее распростра­

рамочная антенна вследствие простоты конструкции при выражен­ ном направленном действии. Рамочная антенна состоит из провода, намотанного на каркас, имеющий форму прямоугольной или круг­

Рис . 85

по линии Ох02 антенны, создаваемое источником излучения S, удаленным от середины рамки на расстояние D, будет

где I = AC = BD — ширина рамки. Так как напряжения по сто­ ронам рамки направлены навстречу друг другу, то результирующее напряжение между точками а и с будет равно их разности, т. е.

159