Пеленгатор Double-Ducky.
Дэвид Т. Гейзер, WA2ANU
Две антенны типа «резиновая уточка», несколько компонентов и принципы фазовой модуляции в совокупности позволяют создать недорогое устройство для определения направления для портативных устройств без модификаций.Большинство радиолюбителей используют антенны с выраженным направленным эффектом, либо с провалом, либо с пиком мощности сигнала, для определения направления. FM-приемники разработаны таким образом, чтобы исключить влияние колебаний амплитуды, и их сложно использовать для определения направления без использования S-метра. Большинство современных портативных трансиверов не имеют S-метров.
Этот пеленгатор "Double-Ducky" (DDDF) отличается тем, что переключается между двумя ненаправленными антеннами, создавая фазовую модуляцию входящего сигнала, которая легко слышна на FM-приемнике (рис. 1).
Когда обе антенны находятся на одинаковом расстоянии ( в фазе) от передатчика (рис. 2), тон исчезает.
Рис. 1 — Быстрое переключение между антеннами позволяет измерять
фазу на каждой антенне, создавая псевдодоплеровский эффект, который
детектор FM-диапазона обнаружит как фазовую модуляцию.Детекторы FM-приемников обычно делятся на две категории: «дискриминаторы» и «фазовые детекторы». Фазовый детектор преобразует изменения фазы с частотой, соответствующей звуковой частоте, в звуковой тон. Дискриминаторы рассматривают изменения фазы как изменения частоты и, если изменения фазы происходят со звуковой частотой, будут попеременно выдавать инвертированные импульсы с той же частотой. Оба детектора выдают звуковой сигнал из динамика, который исчезает только тогда, когда фаза не изменяется в результате переключения (рис. 3).
Рис. 2. Если обе приемные антенны находятся на одинаковом расстоянии (D) от
передающей антенны, то фазовых углов сигналов в приемных антеннах не будет;
следовательно, детектор не обнаружит никакой фазовой модуляции, и звуковой
сигнал исчезнет с выходного сигнала детектора.Теоретически антенны могут располагаться очень близко друг к другу, но на практике величина фазовой модуляции увеличивается прямо пропорционально расстоянию между ними, вплоть до расстояния в половину длины волны. Хотя расстояние в половину длины волны на расстоянии 2 метров (40 дюймов или 1020 мм) довольно велико для мобильной антенной решетки, четверть длины волны, по моему опыту, дает вполне удовлетворительные результаты, и даже одна восьмая длины волны (10 дюймов или 250 мм) является приемлемой.
Рис. 3 — Типичные кривые отклика дискриминатора и фазового детектора.Представьте себе фиксированное расстояние между антеннами, установите их на заземляющей плоскости и поверните эту заземляющую плоскость. Заземляющая плоскость, расположенная над головой туриста или крышей автомобиля, уменьшает необходимую высоту антенной решетки и уменьшает влияние искажения направления, вызванного телом ищущего или другими проводящими объектами.
Прямой прием сигнала приемником не оказывает существенного влияния. Такой прием с помощью систем минимальных/максимальных значений (S-метров) размывает нули и пики, но обеспечивает лишь удобные биения для фазовой модуляции в этой системе.
Основной принцип не нов, хотя я видел только одну статью по этой теме в журнале «Любительское радио» .¹ (Т. Роджерс, «Двойник», QST, май 1978 г., стр. 24. (В диаграмме двойника, рис. 4, есть ряд ошибок. Исправленная диаграмма доступна по запросу в штаб-квартире ARRL.) Коммерческие пеленгаторы, аналогичные двойнику, предлагаются (обычно стоимостью от 1000 долларов и выше) и дают указание направления с точностью до доли градуса. (Двойник дает однонаправленная индикация, и это интересный 4 -й курс для аспирантов по этому принципу.)
DDDF является двунаправленным, и, как описано, его точки нулевого уровня тона находятся как вблизи, так и вдали от источника сигнала. Для разрешения неоднозначности потребуется L-образный путь поиска. Вероятно, можно добавить отражатель, внеся некоторую асимметрию в диаграмму направленности и обеспечив индикацию наличия сигнала.
Специфический дизайн
Найти долговечный механический переключатель, способный работать на достаточно высокой частоте звука, например, 1000 Гц, практически невозможно. Тем не менее, нам нужен слышимый тон, и диапазон от 400 до 1000 Гц, пожалуй, наиболее подходит, учитывая возможности аудиоусилителей и средний уровень слуха. Кроме того, если мы хотим использовать функцию передачи трансивера, нам нужен переключатель, способный без особых проблем передавать мощность около 10 Вт.
В последние несколько лет был разработан твердотельный переключатель — PIN-диод (положительно-собственный-отрицательный). Собственная область этого типа диода обычно не содержит носителей тока и при небольшом обратном смещении выглядит как малоемкостное открытое пространство. Небольшое прямое смещение (от 20 до 50 мА) нагружает собственную область носителями тока, которые свободно перемещаются туда-обратно с частотой 148 МГц, создавая сопротивление около ома. В цепи мощностью 10 Вт рассеиваемая мощность в диоде достаточно мала, чтобы он мог выдержать нагрузку.
Поскольку предполагалось использовать только две антенны, очевидным подходом (рис. 4) было подключение одного диода «в прямом направлении» к одной антенне, другого — «в обратном направлении» ко второй антенне, а подачу на пару прямоугольного переменного тока звуковой частоты. Для пропускания звукового сигнала через диоды, блокируя при этом радиочастотный сигнал, использовались ВЧ-дроссели (Ohmite Z144, J. W, Miller RFC-144 или аналогичные ВЧ-устройства). Конечно, обратное смещение на одном диоде равно только прямому смещению на другом, но на практике этого, кажется, достаточно.
В созданной установке было опробовано несколько PIN-диодов. Это были диоды Hewlett-Packard HP5082-3077 и другие.
Рис. 4 — Схема цепи DDDF. Конструкция и компоновка не имеют решающего значения.
Компоненты внутри пунктирных линий должны быть размещены в экранированном корпусе.
Большинство компонентов можно приобрести в Radio Shack, за исключением D1, D2,
антенн и RFC1-RFC-3, которые рассматриваются в тексте. S1 — См. текст.Alpha LE-5407-4, KSW KS-3542 и Microwave Associates M/A-COM 47120. Все работали хорошо, но я оставил диоды HP в готовом оборудовании, потому что во время моих испытаний они обеспечивали немного более низкое КСВ (примерно 3:1). Устройства, привыкшие работать с "резиновыми уточками"*, не будут разочарованы таким КСВ.
Генератор прямоугольных импульсов должен выдавать качественные прямоугольные сигналы — каждый диод должен быть смещен одинаково (или почти одинаково). Генератор должен быть настраиваемым с помощью переменного резистора, а смещение должно регулироваться. После изучения различных способов реализации я остановился на микросхеме LM567 как на наилучшем компромиссе. В этом проекте микросхема использует только часть - генератор с квадратурным выходом.
LM567 — это универсальный декодер тонального сигнала, предназначенные для обеспечения переключения насыщенного транзистора на землю при наличии входного сигнала в полосе пропускания. Схема состоит из I- и Q-детектора, управляемого генератором, управляемым напряжением, который определяет центральную частоту декодера. Внешние компоненты используются для независимой установки центральной частоты, полосы пропускания и задержки выходного сигнала.Выходной сигнал имеет постоянное смещение, которое пришлось устранить с помощью неполяризованного разделительного конденсатора. Это небольшое неудобство было более чем компенсировано способностью микросхемы хорошо работать с напряжением от 7 до 15 вольт (рекомендуется номинальное минимальное напряжение 9 В).
Неполярный конденсатор также оказался полезным для блокировки постоянного тока, когда переключатель функций был установлен в положение XM1T. Я установил D3, светодиод, последовательно с проводником смещения передатчика, чтобы показать, что в режиме 1 выбран высокий ток потребления батареи (около 20 мА).
(Изначально я выбрал обычный тумблер с центральным положением "выкл" для SI, но теперь сомневаюсь, стоило ли использовать переключатель с фиксатором. Конечно, обычный переключатель удобнее, если требуется быстрая передача/приём, но батареи, которые я изнашивал из-за случайного оставления переключателя включенным, окупили бы более дорогой переключатель с фиксатором.)
Антенны типа «резиновая уточка» не очень эффективны, но их выбрали по двум причинам. В одной из ранних моделей использовались четвертьволновые штырьковые антенны, но они сильно изгибались и были слишком высокими. Изгибы создают помехи в зоне подавления сигнала (даже при относительно небольшом смещении), а резина гасит вибрации. Лучшие результаты приема достигаются с помощью более качественных антенн; я проводил пеленгацию на расстояние 60 миль (96 км) с четвертьволновыми штырьковыми антеннами.
Кабели, идущие от антенны к коаксиальному Т-образному разъему, были обрезаны до электрической половины длины волны (примерно 2/3 полуволны в свободном пространстве), чтобы разомкнутая цепь, представленная обратно смещенным диодом, выглядела разомкнутой на коаксиальном Т-образном разъеме. (Длина линии внутри Т-образного разъема была учтена в расчетах.)
Длина линии от Т-образного разветвителя до блока управления не является критически важной, однако я предпочитаю, чтобы общая длина кабеля от Т-образного разветвителя до блока управления и приемопередатчика не превышала 8 футов (2,4 м), поскольку емкость кабеля шунтирует выходной сигнал генератора прямоугольных импульсов. (У меня есть предубеждение в пользу прямоугольных импульсов с прямыми краями.)
Выбор размера и формы заземляющей плоскости (рис. 5) был произвольным, продиктованным инстинктом и размером металлолома из ящика с хламом. Металлическая пластина действительно должна выступать от основания антенн на расстояние, по крайней мере равное их высоте, 8 дюймов (200 мм), но соображения ветроустойчивости и необходимости дополнительных затрат склоняли меня к меньшему размеру.
Внутреннее устройство DDDF. Простота конструкции и минимальное количество
компонентов делают этот проект простым, его можно выполнить за один-два вечера.
Рис. 5 — Схема заземляющей плоскости и детальное изображение компонентов в местах подключения антенны.Размер и форма блока управления не имеют значения; важна только экранировка. Стандартный минибокс размером 5-1/4 x 3 x 2-1/8 дюйма (133 x 76 x 54 мм) удобен и широко доступен. Я питал устройство от обычной 9-вольтовой батареи для транзисторного радиоприемника, установленной внутри корпуса.
Другие варианты
В первой модели для закорачивания антенны использовались шунтирующие PIN-диоды (рис. 6). Это хорошо для приема и устраняет необходимость в двух ВЧ-дросселях, но мощность, которую может выдержать антенна при передаче, составляет всего около 2,5 Вт. От антенн к Т-образному разветвителю проложены четвертьволновые коаксиальные кабели, так что закороченная антенна будет выглядеть как разомкнутая цепь на стыке Т-образного соединения.
Вместо ВЧ-дросселей антенны в данной конструкции можно использовать закороченную четвертьволновую линию. Это создаст ощущение довольно высокого реактивного сопротивления (емкостного или индуктивного) на большей части, если не на всей, полосе частот, при этом сохраняя эффект короткого замыкания для прямоугольной волны (рис. 7).
Рис. 6 — В этом варианте базовой конструкции для шунтирования антенн используются PIN-диоды.Увеличение расстояния между приемными антеннами даст наибольшее улучшение — каждое удвоение (до половины длины волны) уменьшит ширину провала вдвое. Расстояние в 20 дюймов (500 мм) позволило мне получить провалы шириной около 1°.
Рис. 7 — Еще один вариант базовой конструкции. Здесь закороченный четвертьволновой
участок коаксиального кабеля заменяет ВЧ-дроссель на антенне.Я поддался искушению и установил автомобильный компас между двумя антеннами, чтобы получить настоящий пеленгатор! Идея не сработала, потому что магнитный материал в моих «резиновых уточках» заставлял компас всегда показывать север, независимо от того, где он находится! (Компенсаторы не обладали достаточной дальностью действия.)
Пожалуй, наиболее интересным вариантом является добавление индикации правого/левого направления. Аудиовыход приемника проходит через фазовращатель (при необходимости) и подается на балансный модулятор, который использует квадратурный выход генератора прямоугольных импульсов в качестве опорного. Поскольку полярность постоянного тока на выходе изменяется при прохождении антенной полосы пропускания, для индикации правого/левого направления можно использовать микроамперметр постоянного тока на выходе смесителя (рис. 8). (По причинам, обсуждаемым далее, индикация является корректной только в области линейной работы детектора в приемнике.)
Рис. 8 — Блок-схема простого индикатора правого/левого направления. В зависимости
от положения потенциометра фазовый сдвиг может варьироваться от 0° до почти 180°.
В общем случае, при полном значении сопротивления потенциометра значение должно
равняться емкостному сопротивлению конденсатора на используемой звуковой частоте.Инструкция по применению
Переключите блок управления в режим df и поворачивайте потенциометр управления до тех пор, пока на нужном сигнале не появится тон. Не поворачивайте потенциометр управления настолько высоко, чтобы исказить или «загромоздить» голос. Поверните антенну для создания провала в основном тоне. Обратите внимание, что может появиться тон на октаву выше. Причина этого эффекта показана на рис. 9.
На рис. 9A осциллограф, синхронизированный с аудиомодулем «90», показывает выходной сигнал приемника с антенной, направленной в одну сторону от провала (на хорошо настроенном приемнике). На рис. 9B показано состояние провала и набор сигналов с удвоенной частотой (на октаву выше), а на рис. C показан выходной сигнал с антенной, направленной в другую сторону от провала.
Рис. 9 — Типичные ответы на канале.Если же, с другой стороны (рис. 10), входящий сигнал значительно выходит за пределы линейной области приемника (примерно на 10 кГц от частоты), то при направлении антенны в сторону от нулевой точки может наблюдаться довольно симметричный выходной сигнал в одну сторону (A).
Также может наблюдаться почти нулевая точка с нестабильностью (обозначена пунктирной линией на дисплее) в резком нулевом положении (B), а при направлении в другую сторону выходной сигнал в сторону значительно увеличивается (C). Это вызвано различными участками кривой FM-детектора приемника. Резкое изменение тональности указывает на то, что нулевая точка антенны пройдена.
Рис. 10 — Типичные ответы вне канала связи.Даже в сложных ситуациях подавления помех, когда присутствует много второй гармоники, поворот антенны в положение подавления помех вызывает очень характерное изменение тона. При одинаковых частотах и амплитудах качество тона (тембр) меняется. Это как если бы нота сначала была сыграна на скрипке, а затем та же самая нота — на трубе. (Значительная часть этого объясняется изменением фазы основной и нечетных гармоник относительно четных.) Слушатель может распознать различия (проходящие через точку подавления помех), которые вызвали бы у электронного анализатора недоумение.
Пользователю следует попрактиковаться с DDDF, чтобы ознакомиться с его поведением в известных ситуациях, связанных с направлением сигнала, мощностью и частотой. Некоторые захотят настроить сигнал, переведя функциональный переключатель в положение «передача», а затем переключиться в режим DF. В неизвестной ситуации я предпочитаю использовать тональный сигнал, чтобы определить наличие сигнала — мой трансивер (IC-211) будет одновременно издавать писк и переключаться в режим DF на сигналах, отклоняющихся от частоты более чем на 10 кГц. Использование шага синтезатора в 5 кГц помогает упростить спектр тонального сигнала.
Я обнаружил, что писк (или тон), который DDDF добавляет к несущей, дает неожиданный бонус: с его помощью я могу принимать телеграфные сигналы на любом FM-приемнике. Когда я слышу этот тон (и я могу его распознать ниже порога FM-диапазона), я поворачиваю антенну на максимальную громкость и начинаю принимать. Это забавно. Попробуйте сделать то же самое со своим S-метром!
[ На главную ] [ Пеленгаторы ]
