В старые добрые времена пришлось мне как-то побывать на радиолокационной станции П-12. Ничего меня на этой станции не удивило так, как гониометр - сравнительно простое устройство, позволяющее с высокой точностью определять направление на самолет в вертикальной плоскости с помощью двух разнесенных всего на несколько метров по высоте одинаковых антенных полотен. Точность составляла несколько градусов при дальности до самолета 150 километров.

Немного позже, побывав на войсковом радиоцентре, познакомился с гониометром длинноволновой радиостанции Р-101, который практически никогда не использовался и о назначении которого даже начальник радиоцентра пояснить ничего не смог. Пришлось перерыть массу справочной литературы и учебников, прежде чем по крупинкам удалось составить более-менее ясную картину. Еще тогда возникла мысль - применить это устройство в любительских целях. Теоретически это позволило бы изменять положение диаграммы направленности неподвижной антенной системы с сохранением всех электрических характеристик, улучшить подавление мешающих сигналов, упростить антенное хозяйство на низкочастотных диапазонах. Следуя принципу “новое – это хорошо забытое старое” пришлось исследовать старую литературу об антенных системах.

И только в книге [1] удалось найти очень обширное описание таких антенн. В чем же принцип построения и работы гониометрического антенного устройства (ГАУ)? ГАУ состоит из трех основных элементов:

2-х антенных элементов, диаграммы направленности которых взаимно ортогональны. Это могут быть диполи, треугольники, квадраты и любые другие антенны, диаграмма направленности которых представляет “восьмерку”.

2-х одинаковых фидеров, волновое сопротивление которых должно быть равно входному сопротивлению примененных антенных элементов.

Гониометра,состоящего из 2-х неподвижных(статорных),взаимно перпендикулярных катушек, и одной подвижной (роторной), размещенной внутри неподвижных. Ось вращения подвижной катушки должна совпадать с центрами неподвижных катушек. В цепи катушек включаются элементы настройки(КПЕ), образуя контуры, настраиваемые в резонанс на заданном диапазоне.

 

Как видно из рисунка, сигнал принимается одновременно двумя антеннами, а суммирование сигналов с учетом размещения антенн и фазы принятых сигналов происходит в гониометре.

Не вдаваясь глубоко в теорию взаимоиндукции, будем считать, что результирующая магнитного потока внутри статорных катушек полностью соответствует направлению, с которого принимается сигнал корреспондента. И если теперь разместить (повернуть) роторную катушку так, чтобы магнитный поток проходил перпендикулярно ее плоскости, на зажимах этой катушки получим сигнал максимальной амплитуды, примерно такой же, какой можно получить на зажимах рамки, повернув ее “лицом” к источнику сигнала.

Поскольку магнитные потоки от других станций не всегда совпадают с направлением на полезный сигнал, они будут ослаблены в гониометре. Таким образом, направление максимального приема антенной системы полностью зависит от угла поворота роторной катушки. Поскольку для передачи сигналов от антенны используются два одинаковых фидера, разместить гониометр удобнее на рабочем месте оператора.

“Поворот антенны” в этом случае можно осуществлять почти мгновенно, что практически недостижимо не только на НЧ, но и на ВЧ диапазонах. Если при этом во главу угла ставится борьба с помехами, можно применить принцип, хорошо известный “лисоловам”: применить дополнительную штыревую антенну, выполненную в виде мачты, а антенны ГАУ выполнить в виде треугольников, размещенных на этой мачте. В результате можно получить кардиоидную диаграмму направленности с глубоким (до 40 дБ) минимумом диаграммы. Оптимальное соотношение высоты таких треугольников к основанию корифеями антенных устройств определено как 1:3.

Автором этой статьи были проведены эксперименты с антеннами на вещательный УКВ и 2-х метровый любительский диапазоны. В первом случае использовались специально изготовленные из 10 мм алюминиевого прутка треугольники периметром 320 см и высотой 70 см. Статорные катушки выполнялись из 3 мм медного провода, по 2 витка, диаметр оправки 60 мм. Роторная катушка - из того-же провода, 2,5 витка на каркасе 40 мм. Фидеры из кабеля РК-75-4-12, длиной примерно 10 метров.

Проверка проводилась по сигналам вещательной станции и сигналам “жучков“, размещенных на расстоянии 10 метров от антенны. Результаты: Диаграмма направленности полностью аналогична диаграмме направленности одиночного вращаемого треугольника. При дополнении этой антенны штыревой антенной высотой 80 см получилась кардиоида с глубиной минимума примерно 30 дБ и незначительным увеличением амплитуды сигнала при направлении на станцию максимумом диаграммы направленности.

Но это по всей видимости не предел, так как условия измерений не исключали возможности переотражений сигнала близко расположенными предметами.

На 2-х метровом диапазоне была исследована возможность работы устройства на передачу. Антенны были выполнены в виде петлевых вибраторов, питание осуществлялось по ленточным кабелям длиной 2 метра. Статорные катушки выполнялись из посеребренного 3 мм провода, по 1,5 витка на оправке 40 мм. Роторная катушка – 2 витка на каркасе 25 мм. Согасование с антеннами и трансивером - с помощью конденсаторов 12-75 пф. Измерение проводились селективным индикатором напряженности поля и милливольтметром на расстоянии 25 метров. Антенна для контроля использовалась 5 эл YAGI.

Настройка проводилась следующим образом: Роторная катушка поворачивалась так, чтобы ее плоскость совпала с плоскостью одной статорной катушки. Производилась настройка этих катушек по максимуму отдачи в антенну и минимуму КСВ. После этого роторная катушка разворачивалась на 90 градусов и настраивалась вторая статорная катушка. Затем роторную катушку разворачивали на 45 градусов и производили коррекцию ее настройки по минимуму КСВ.

Результаты:

Изменение КСВ в зависимости от положения роторной катушки - 1,1-1,3

Максимальное подавление сигнала помехи той же поляризации – 15-18 дБ.

Максимальное подавление сигнала помехи другой поляризации - 23-25 дБ.

Ослабление сигнала передатчика в направлении минимума ДН - 12-15 дБ.

В последнем случае вероятна погрешность за счет переизлучения (мощность передатчика составляла 5 Ватт). Практически во всех экспериментах получены значительные положительные результаты, подтверждающие теоретические предположения.

Самый главный вывод:

Данная система может и должна применяться в любительских целях, особенно на низкочастотных диапазонах, где очень сложно построить вращающиеся антенны.

Несколько рекомендаций для тех кто решил поэкспериментировать:

Лучше всего выбирать рамочные антенны, например треугольник или квадрат.

При настройке сначала добейтесь точной настройки самой антенны на заданном диапазоне.

При питании антенны коаксиальным кабелем приведите входное сопротивление антенн к волновому сопротивлению кабеля, а при питании антенны двухпроводной линией выбирайте ее сопротивление равным входному сопротивлению антенны.

Особо тщательно следите за идентичностью параметров антенн и равенстве длины фидеров и симметричностью их расположения.

Гониометр обязательно необходимо выполнить в хорошем экранированном корпусе, желательно вместе с элементами настройки. При использовании третьей штыревой антенны сложение сигналов лучше выполнять после гониометра, до тракта УВЧ приемника. Постарайтесь как можно симметричнее выполнить гониометр. Если вы используете антенну типа пирамида или два треугольника,подумайте что вам выгоднее – возможность вращать диаграмму или лишние 2-3 дБ усиления только в одном направлении.

Н.Филенко (UA9XBI)

Литература:

А.А.Пистолькорс.”Антенны“ ГИЛ 1947 год.

Г.Н.Кочержевский “Антенно-фидерные устройства” Радио и связь 1981 год.