Система пеленгации Гарри Литхолла

Harry Lythall - SM0VPO

Contents

Введение

Много лет назад я решил построить себе систему пеленгации сразу после того, как выиграл свою первую УКВ "охоту на лис" с пеленгаторной антенной в клубе радиолюбителей Кембриджа и округа. Система, которую я имел в виду, должна была быть намного точнее и иметь как минимум:

  • 7-сегментный цифровой дисплей пеленга на цель.
  • Выдавать азимут менее 500 мс.
  • Точность +/- 1 градус или 1 цифра.
  • Работа на УКВ (предпочтительно 27МГц).
  • Использование существующего приемника без модификации.
  • Портативность, чтобы можно было бы установить в автомобиле.
  • Дешевизна.

Я достиг всех вышеперечисленных критериев, хотя для установки на автомобиль требовался багажник на крыше, чтобы нести алюминиевую или жестяную пластину площадью 1000 мм для антенной решетки. Если у вас есть время и деньги, сделайте эту тарелку побольше, если это возможно. 5 метров было бы идеально для домашней базы.

Основная концепция

Подобно системе, используемой в современной авиации, где антенная решетка модулирует фазу входящего сигнала. Коммерческая система известна как пеленгатор с коммутируемой антенной (CADF), в которой кольцо из 18 идентичных антенн включается последовательно, точно так же, как вращающийся поворотный переключатель, так что одна антенна всегда подключена к приемнику. Рассмотрим возможности:

Если приемник подключен к точке отбора в центре приведенной выше диаграммы, то любой принимаемый сигнал будет фазово-модулированным, при этом фазовая задержка зависит от направления принятого сигнала. Предположим на мгновение, что сигнал исходит строго с севера от вышеупомянутой решетки, тогда Антенна-1 будет принимать сигналы, которые являются частью одного цикла, раньше всех других антенн. По мере вращения переключателя (коммутатора) сигнал, подаваемый на приемник, будет постепенно отставать по фазе все больше и больше, пока не будет выбрана Антенна -5. Продолжая вращение переключателя по кругу, сигнал снова начнет перемещаться. Общий эффект даст нам синусоидальный (выходной) звуковой сигнал из приемника.

Если бы мы сейчас запустили осциллограф так, чтобы СЕВЕРНАЯ антенна начала трассировку (задний фронт коммутационного импульса Антенны-9), то форма волны, полученная от FM-приемника после фильтрации, выглядела бы примерно так :

Если принимаемая сейчас станция пришла с востока, то при переключении антенн фаза приема будет продвигаться вперед до тех пор, пока не будет выбрана Антенна-3, а затем снова продолжит отставание. Наибольшее отставание возникнет при выборе Антенны-7, после чего сигнал снова начнет опережать. Если бы мы все-таки запустили осциллограф так, чтобы СЕВЕРНАЯ антенна дала начало трассе, то форма волны, полученная от FM-приемника, выглядела бы примерно так:

Как видите, форма сигнала задержана ровно на 90 градусов. Таким образом, измерив разность фаз между точкой срабатывания и пиком волны AF, мы получим точный пеленг на целевую станцию. В этом проекте мы будем использовать такие параметры:

  • Всего ДЕВЯТЬ антенн (лучше больше, но гораздо сложнее).
  • Каждая антенна включается только на 111 мкс.
  • Частота коммутации = 1 кГц, поэтому дисплей обновляется быстро.
  • Выходной сигнал RX отфильтрован для получения хорошей синусоиды для усреднения ошибок.
  • Используемый приемник должен быть узкополосным FM-приемником.

Антенны

Мне пришлось разработать антенну, так как все они должны были быть на 100% идентичными, без каких-либо фазовых изменений из-за неправильной настройки. Наилучший метод — использовать сложенную 1/4-волновую антенну, вытравленную из стекловолоконной платы с медным покрытием, и использовать подстроечный конденсатор для регулировки частоты антенны. Каждая из антенн должна быть припаяна к пустой непротравленной плате с медным покрытием, которая затем прикручена болтами к алюминиевой или оловянной пластине. Чем больше жестяная пластина, тем лучше, но диаметр 1000 мм будет работать на частоте 144 МГц или выше. Если он слишком мал, выходной сигнал AF будет уменьшен, и точность пострадает. Плата с медным покрытием должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать одну антенну и позволять прикрепить ее болтами к жестяной пластине. Это позволит легко снимать или перемещать антенны, если в этом возникнет необходимость.

Антенны установлены по окружности металлической пластины и выравнены так, чтобы они находились на одной линии с линией, проведенной из центра пластины, и с настроечным конденсатором 22 пф, обращенным к краю пластины. Угол между каждой антенной составляет ровно 40°.

Длина коаксиального кабеля, кратная 33% длины волны (145 МГц = 670 мм), использовалась в прототипе в схеме диодного переключателя, и все они были заделаны путем припайки центральной жилы к монете в 2 пенса и оловянной пластине. Вы можете захотеть прикрутить кусок покрытой медью платы к жестяной пластине, чтобы было легче заделывать оплетки коаксиального кабеля с помощью обычного 15-ваттного паяльника. Важно, чтобы все девять отрезков кабеля были АБСОЛЮТНО идентичны как по типу, так и по длине.

У меня эта система работала на частоте 27 МГц, но результаты были неприемлемыми. С новой антенной системой для этого диапазона проблем быть не должно.

Плата коммутации

Диодные переключатели установлены на антенной решетке, но управляются от платы коммутатора, которая генерирует прямоугольные сигналы +12 В / -10 В для включения каждой антенны по очереди.

Другие компоненты, установленные на плате, генерируют сигнал 5,760 МГц (CD4060) и делят его так:

  • Тактовая частота 360 кГц для платы дисплея (X1).
  • Тактовая частота 90 кГц для антенного переключателя, который обеспечивает:
  • 9 импульсных выходов 111 мкс для переключения антенн (CD4017).
  • 9 выходных буферов для управления антенными переключателями.
  • Тактовый генератор напряжения для антенных переключателей.
  • Северный выход 1 кГц для синхронизации платы дисплея

Точная частота кристалла не важна. Например, 5,184 МГц даст вам тон 900 Гц и только 900 отображений в секунду, плюс вам придется немного изменить значения компонентов в фильтре. Типичные практические значения могут лежать примерно между 4,5 МГц и 7 МГц.

Схема довольно проста; просто её много! Мой вариант был построен на простой макетной плате, но я также сделал по одной плате для драйверов, и каждая была установлена вертикально в ряд. Все драйвера идентичны и похожи на Driver-1.

Цепь дисплея

Она намного проще, чем кажется. Каждая из двух микросхем 4013 (IC: 2b, 3b и 2a, 3a) генерирует тактовый импульс (тактовая частота 360 кГц), когда:

  • Обработанные изменения входа AF проходят через 0 вольт
  • Антенна-1 сработала

Эти события происходят дважды в цикле DF, поэтому IC 10a и 10c «закрывают» нежелательное событие. IC4 – IC8 представляют собой простые счетчики частоты, но без стробирования. Счет продолжается непрерывно с тактового входа 360 кГц, но счетчики сбрасываются на 000 каждый раз, когда северная антенна подает импульс. Мгновенные данные передаются на защелки дисплея по сигналу от приемника.

Согласно моим грубым заметкам, была IC1 для снижения частот, но её удаление не имело практического эффекта. Пожалуйста, обратите внимание, что в этой схеме нет микросхемы IC1, и я не собираюсь перенумеровывать все, чтобы получить аккуратные цифры. Если вы сделаете это так, как я, то это все равно будет выглядеть достаточно грязно!

Как видите, схема довольно грубая и простая, но опять же её просто много. Единственное, что важно помнить:

  • Счетчик всегда сбрасывается на 000 на севере.
  • Счетчики отсчитывают от 0 до 359 за одну коммутацию антенной решетки.
  • Счетчик, переданный на дисплей фиксированным положением на осциллограмме RX AF.

Вы можете подумать, что полученный сигнал будет подвержен некоторой задержке в приемнике и фильтрации ЗЧ - да! Так и будет. Вы можете подумать, что эта задержка будет разной для разных приемников - да! Так и будет. Вы можете подумать, что мы потеряли нашу северную калибровку - да! у нас есть. Настройте приемник на станцию с известным местоположением (возможно, местный ретранслятор) и просто поворачивайте всю антенную решетку, пока показания не будут на 100% правильными. ЗАПРЕЩАЕТСЯ использовать компас, это ненадежные вещи, которые можно использовать рядом с автомобилями и другими металлическими предметами. Положите карту на землю, выровняйте карту по известным ориентирам, чтобы она лежала в той же ориентации, что и реальность. Теперь нанесите положение опорной станции, используя компас.

Настройка антенны

Каждая антенна должна быть идентична, как указано выше. Так как же сделать антенны на 100% идентичными? Есть несколько способов, но я сделал это, сначала подключив каждую антенну к передатчику 145 МГц и отрегулировав крышку для минимального КСВ. Используйте один и тот же кабель для проверки каждой антенны и убедитесь, что все антенны тестируются в одном и том же положении. Передатчик должен иметь выходную мощность менее одного ватта, чтобы не пробить конденсаторы 22 пф.

Некоторую окончательную настройку можно выполнить, поместив магнитную антенну точно в центр решетки и наблюдая за АФ приемника непосредственно на FM-дискриминаторе с помощью осциллографа. Подайте немодулированный сигнал от источника сигнала на магнитное крепление, и на прицеле должна быть видна «плоская линия». Если есть какое-либо отклонение, прикоснитесь к каждой антенне по очереди, наблюдая за прицелом, чтобы определить наихудшую антенну. ОСТОРОЖНО прикоснитесь к настроечному конденсатору, чтобы вернуть линию в плоское состояние. Если вам повезет, то, возможно, вам вообще не придется вносить какие-либо коррективы.

АФ-фильтр

Теперь эта схема очень проста. Отрегулируйте потенциометр 10K, пока он не перестанет колебаться без входного сигнала. Пиковый потенциометр 22K для максимального выхода с входным сигналом 1KHz. Отрегулируйте резистор 100 Ом, отмеченный «*», если вам нужно немного больше входного сигнала, чтобы получить полное 8-вольтовое колебание выходного сигнала (среднеквадратичное значение 3 В, измеренное мультиметром).

По сути, эта схема представляет собой RC-генератор с фазовым сдвигом. Если обратная связь достаточно уменьшена, то колебания прекратятся, но в этот момент «не совсем колебания» он будет вести себя как усилитель с ОЧЕНЬ узкой полосой пропускания. Полоса пропускания в значительной степени контролируется обратной связью, но обычно составляет пару Гц. Именно эта схема помогает предотвратить дрожание дисплея от речи на целевом передатчике. Прототип немного дрожал, но его вполне можно было использовать с этим фильтром.

CADF — Дополнительная информация

В CADF военной и гражданской авиации используются два приемника, работающие от одних и тех же гетеродинов. Один приемник подключен к коммутируемой антенне, а другой к опорной антенне. Каскады ПЧ приемника преобразуются с понижением частоты, демодулируются и обрабатываются для получения четырех синусоидальных сигналов частотой 60 Гц, используемых для возбуждения ЭЛТ с круговой временной базой. Это дает танцующее пятно в центре трубки, но при получении сигнала линия тянется от центра трубки к краю. Граница трубки откалибрована в градусах.

Эти 4-фазные управляющие сигналы с частотой 60 Гц также отправляются с нескольких станций по наземной линии связи в центральный пункт управления воздушным движением, где сигналы ЭЛТ проецируются на экран из матового стекла с изображением карты страны. Каждый ЭЛТ-дисплей располагается на карте в позиции приемной станции. Если сейчас самолет ведет передачу на частотах 121,5 МГц или 243 МГц (частоты бедствия самолета), то пляшущие точки на экране становятся линиями от каждой позиции приемной станции. Все линии сойдутся на позиции самолета. Он точен до ста футов или около того в любой точке страны, и требуется менее секунды, чтобы увидеть и отметить ваше местоположение.

Заметки

У меня было несколько проблем с работой моей системы пеленгации, но это было больше из-за используемого мной метода конструкции, но, в конце концов, это сработало хорошо, и я смог просто подъехать прямо к источнику помех. К сожалению, когда я закончил его, я был в Саудовской Аравии, и там было не так много радиолюбителей!

Я должен отметить, что эта конструкция была построена несколько лет назад, и прототип стал одной из жертв развода, но конструкция была проверена. Поэтому я предлагаю вам рассматривать этот проект как отправную точку для дальнейшего развития, хотя я не припоминаю больших отклонений от моих заметок. Вам придется найти какие-то средства защиты антенн от влаги и даже ветра, а также использовать лучший метод изготовления, чем я, если вы хотите, чтобы что-то выдержало какое-то время.

На машине антенна была так выровнена, что показание 359/000 градусов было прямо впереди. Для «домашней базы» лучше всего ориентироваться на север. Если вы и ваш друг живете близко друг к другу, то вы можете иметь по одному устройству и сопоставлять свои пеленги, чтобы получить точное направление на «нарушающую» станцию. Вы увидите одно новое показание каждые 1 мс, то есть 1000 показаний в секунду, что создает впечатление непрерывного отображения, но время установления составляет около 100 мс из-за фильтра и цепей ЗЧ приемника. Я помню, что первоначально пытался использовать множество антенн типа «резиновые уточки», которые я купил на заказ в магазине Lowes в Кембридже. Все антенны немного отличались друг от друга и оказались непригодными для использования без модификации, поэтому я в конце концов разработал антенны на печатной плате для этой цели.

ПРИМЕЧАНИЕ. У меня неправильные номера контактов, но я скоро их исправлю.

Have fun and very best regards from Harry - SM0VPO !



Go to INFO page SM0VPO