Pelengator

Если ракета несёт на борту маленький передатчик - радиомаяк - то можно отследить направление на неё при помощи пеленгатора - приёмника с направленной антенной.

Основа радиопеленгации - свойство специальной антенны хорошо принимать сигнал в одном направлении, и хуже, или совсем не принимать его в других направлениях.

В данной конструкции, для обеспечения доступности был выбран диапазон УКВ(он-же - "FM" в терминах импортной продукции), позволяющий использовать недорогие бытовые приёмники для построения пеленгатора. УКВ-диапазон, доступный для бытовых приёмников простирается от 60 до 108MHz. На таких частотах для приемлемой дальности не требуется большая мощность, и передатчик может быть выполнен на одном транзисторе.

Итак, основные узлы комплекса радиопеленгации:
- радиомаяк;
- антенна;
- приёмник.

Радиомаяк

Передатчик собран по прилагающейся схеме. Монтаж выполнен "на квадратиках". Желательно плотное расположение деталей. Используйте серые и голубые конденсаторы. При указанных номиналах основная частота - 100MHz. Подстройка частоты осуществляется развалом витков катушки.

В цепь базы транзистора включен мигающий двухцветный светодиод; выяснилось, что его внутренний генератор в состоянии модулировать несущую передатчика двумя тональностями, примерно 2...4KHz, в зависимости от цвета свечения. Переключение происходит с частотой около 3 раз в секунду, и становится более вялым при снижении напряжения питания. Двухтональный сигнал маячка очень хорошо заметен на фоне посторонних сигналов, что облегчает поиск. Антенна - любой провод длиной примерно 50...70см, конструктивно она должна быть расположена так, чтобы распрямляться при спуске ракеты на парашюте.

В Интернете можно встретить обилие схем передатчиков УКВ-диапазона и использовать их. В частности, одну из схем, также специально разработанную для ракет представил участник ракетного форума Pokos В любом случае, для установки на ракету необходимо позаботиться о подходящем корпусе для маячка, типа пластиковой капсулы.

Антенна.

Немного теории.

В 1926 году японский радиолюбитель Х.Яги и его коллега С.Уда проводили опыты с классическим типом антенны - диполем - разрезанным пополам куском провода длиной в половину волны, в котором один кусок - плечо - подключен к средней жиле кабеля, а второе плечо - к оплётке. Такая антенна хорошо принимает сигналы, приходящие со всех перпендикулярных ей сторон:

Исследователи обнаружили, что, если рядом с такой антенной расположить параллельный ей проводник похожей длины, то он будет влиять на её свойства, а именно, если этот проводник незначительно короче - то он, резонируя с принятой волной, подхлестнёт оную в направлении антенны. В таком случае этот проводник можно назвать "директором" - направляющим. Но если проводник немного длиннее антенны, то он станет отражать сигнал. Такой отражающий элемент - рефлектор - отражает волны, приходящие к антенне сзади. Однако, если они пришли со стороны антенны, то, отражаясь, волны опять попадут на антенну.

Таким образом, директор улучшает приём радиоволн, приходящих спереди, а рефлектор - ухудшает приём волн, пришедших сзади, но прошедшие директор и антенну волны возвращает обратно к последней. В прочем, пора этой "антенне" тоже дать специальное название: - вибратор.

Антенна такого типа гордо носит название Уда-Яги, или волновой канал. Она имеет ярко выраженную диаграмму направленности(далее - ДН): сигналы, приходящие спереди, усиливаются в несколько раз(т.е., децибел) С заднего направления сигналы принимаются гораздо хуже. Приходящие с боков сигналы волновой канал слышит слабее всего. Конкретно форма ДН в основном зависит от длины элементов, расстояния между ними, высоты антенны над землёй, а также её поляризации - расположения в пространстве условно горизонтально или вертикально. Кроме того, если антенна-источник сигнала расположена вертикально, то и волны от неё излучаются соответственным образом поляризованные, и антенна-приёмник для их приёма должна быть расположена тоже вертикально.

Практическая конструкция антенны пеленгатора представляет собой трёхэлементный волновой канал. Расчёты размеров для частоты 100MHz производились вручную, на основании рекомендаций из книги Карла Ротхаммеля "Антенны", а также программно, при помощи приложения MMANA-GAL.

Вплетённая в стропу парашюта, антенна радиомаячка во время спуска ориентирована вертикально, а после приземления в типовом случае будет лежать на земле, горизонтально. В связи с этим антенну пеленгатора, соответственно, необходимо располагать вертикально в первом случае и горизонтально после приземления ракеты. ДН для обоих случаев представлена на рисунках, полученных программой GAL-ANA:

Сигнал с вибратора снимается коаксиальным кабелем. Как наиболее доступный, для разработки был выбран телевизионный кабель волновым сопротивлением 75Ом. Для частоты 100MHz отрезок питающего кабеля длиной 0,99м с учётом коэффициента укорочения(0,66) представляет собой два последовательно соединённых четвертьволновых трансформатора; такая линия питания обладает свойством передавать сопротивление антенны из точки её подключения в точку подключения приёмника. Таким образом, сопротивление самого кабеля игнорируется и, подстраивая антенну, можно согласовать её с входным сопротивлением приёмника; при условии хорошего согласования весь сигнал из антенны будет потребляться входной цепью приёмника, если же сопротивления различны, имеет место рассогласованность и часть сигнала будет отражаться от приёмника обратно в кабель. Для обеспечения настройки сопротивления антенны(вполне поддающегося расчёту) с неизвестным входным сопротивлением приёмника применено гамма-согласующее устройство. При этом электрическая схема подключения кабеля к вибратору выглядит следующим образом:

...где вибратор выполнен неразрывным, и к середине его подключается оплётка кабеля. Средняя жила кабеля подключается к обкладке регулируемого конденсатора(ёмкостью примерно до 30 пикофарад) Вторая обкладка конденсатора подключается к проводнику, пролегающему параллельно вибратору, толщиной примерно в три раза меньше вибратора, длиной примерно 40см. Проводник этот соединяется с вибратором посредством подвижной перемычки. При сборке, прокладке кабеля и креплении элементов антенны необходимо соблюдать симметрию всех составляющих: в противном случае ДН может быть искажена. С той-же целью недалеко от точки подключения кабеля на него надето ферритовое кольцо(подойдёт любое, к примеру от катушек или ВЧ-трансформаторов), предотвращающее утечку токов высокой частоты на внешнюю сторону оплётки кабеля, из-за чего сам кабель мог бы принимать сигналы.

Для постройки антенны пригодились части пришедших в негодность двух "польских" антенн для приёма ТВ, которые иногда называют "посудницей". Плата встроенного усилителя в таких антеннах плохо защищена от атмосферных воздействий, быстро коррозирует, и выходит из строя; часто причиной поломки становятся статические разряды.
На рисунке показано, какие детали могут быть заимствованы:

От двух антенн понадобятся несущие бумы, длинные "усы" метрового диапазона, пластиковые крепления. На следующем рисунке показано конкретное исполнение основных узлов:

"Усы" изначально согнуты буквой V, их нужно аккуратно разогнуть и выровнять места сгибов ковкой. Вам могут попасться цельные или трубчатые алюминиевые прутья "усов". В случае цельных прутов недостающую длину можно восполнить тонкими алюминиевыми проволоками, прижатыми плотно надетыми отрезками трубок. Так получилось у меня на директоре и рефлекторе.

На вибратор нашлись трубчатые пруты от другой "польской" антенны. При разгибании они ломаются, поэтому вибратор составлен из двух одинаковых трубок. Трубчатые элементы удлиняются вставками из алюминиевых проволок, они вставляются с натягом, для хорошего электрического контакта.
Две половины вибратора электрически соединены латунной перемычкой. К ней-же припаяна оплётка кабеля, она-же имеет лепестки для обжимки кабеля. На кабеле - ферритовое кольцо. Против перемычки прикручен латунный язычок, к которому крепится проволочный элемент устройства согласования, а с другой стороны припаяны ножки керамического подстроечного конденсатора, контактирующие с его ротором. Статор конденсатора на своём выступе имеет серебряное напыление, представляющее собой вторую обкладку конденсатора, к этому напылению припаяна центральная жила кабеля питания. Этим-же выступом конденсатор входит в паз латунной перемычки, соединяющей плечи вибратора, чем обеспечивается фиксация язычка с припаянным на него конденсатором и укреплённым на нём элементом согласования от проворота на шурупе.
Три пластиковых Т-образных кронштейна со съёмными крышками: в них острым ножом вырезаются ложа для размещения элементов. На рефлектор и директор намотано немного малярного скотча, чтоб они крепче зажались крышками.
Два плеча вибратора крепятся к кронштейну двумя хомутами из оцинкованного железа. Сверху ставится крышка.

В исходном варианте в кронштейнах имеются технологические полости-колодцы, через которые осуществляется доступ к расположенным в их глубине болтам крепления к буму. Я применил заведомо более длинные болты, теперь они возвышаются в колодцах почти до крышек кронштейнов, на болтах надеты пружины. Таким образом, кронштейны притягиваются к буму, но их можно оттянуть от бума, преодолевая усилие пружины. В совокупности с выступами на нижней части кронштейнов это позволило получить складное соединение кронштейнов с бумом. Бум, состоящий из двух половин(взятых от двух "польских" антенн), также складывается на оси кронштейна вибратора. Антенна получается складной.

В сложенном состоянии антенна представляет собой удлинённый пакет. Для развёртывания достаточно развести в стороны рефлектор и директор: бум распрямляется, а кронштейны элементов защёлкиваются, садясь выступами на бум и надёжно фиксируют элементы. В месте схождения внутренних концов бума вставляется небольшая рукоятка и притягивается барашком:

Длина бумов как раз подошла, не пришлось отпиливать, и даже отверстия по их длине совпали с намеченными, не пришлось сверлить.
Вообще, в конструкции можно использовать алюминий или медь для элементов, дерево или железо для бума. Можно собрать цельнометаллическую антенну, без изоляторов для крепления элементов: посередине элементов действующие напряжения равны нулю.

В целом при соблюдении размеров и аккуратной сборке антенна будет гарантированно работать, усиливая сигнал с главного направления до 8Дб. Она не столь критична в изготовлении и настройке ещё и потому, что не требуется её работа на передачу.

Настройка антенны после сборки проста: вооружившись бокорезами, обкусите по указанным размерам все элементы. Подключите антенну к приёмнику, настройтесь на сигнал маячка, отойдите от него на такое расстояние, когда сигнал заметно ослабеет. Перемещая перемычку на согласующем устройстве, найдите положение наилучшей слышимости. Компенсируйте подстроечным конденсатором индуктивную составляющую согласующего устройства также до наилучшей слышимости. Если приёмник не очень высокого качества, может оказаться, что антенна будет нормально работать, но перемещение перемычки будет оказывать почти незаметное влияние.

Приёмник

В качестве приёмника я использовал самый простой, китайский, с весьма скромными характеристиками, чтобы показать, что конструкция не критична и легко повторяема. Однако, применив более качественный приёмник можно получить гораздо более весомые результаты. Минимальное требование: наличие диапазона УКВ(FM) с принимаемой частотой 100MHz. Минимальная доработка: оснащение приёмника коаксиальным разъёмом(подойдёт даже от телевизора) для подключения внешней направленной антенны. Провод от разъёма внутри приёмника следует проложить коаксиальный, подключив его центральной жилой к точке подключения к плате штатной телескопической антенны. Желательно установить микровыключатель, отсоединяющий от этой точки штатную антенну на время пользования внешней. Оплётку припаяйте к "массе" электрической схемы приёмника(обычно минус питания).

Что должно получиться.

Полевые испытания показали, что, даже с простым приёмником можно пеленговать маячок, лежащий антенной на земле с расстояния до 150м. Если маячок приподнят над землёй на метр, то сигнал очень сильный и на отметке 250м. Главное - рабочая частота должна быть свободна от радиовещательных станций. Направление поиска можно определить вплоть до приближения к маячку на расстояние 15-20м.

Практика пеленгования.

(Отрывки из старой, потрёпанной, частично утраченной брошюры, без обложки, не моложе 78г. по спортивной радиопеленгации)

...Существенной особенностью поверхностных ультракоротких радиоволн является значительно большая по сравнению с короткими и длинными волнами зависимость характера их распространения от условий местности. На УКВ даже сравнительно небольшие по размерам неровности и препятствия оказываются соизмеримыми с длиной волны и могут привести к искажению фронта волны, а следовательно, к ошибкам пеленга. По мере повышения частоты ошибки резко возрастают.
Количество встречающихся в природе объектов, которые могут быть рассмотрены как заземлённые четвертьволновые переизлучатели , значительно больше на УКВ, чем на коротких волнах. На УКВ сильнее проявляются отражающие свойства деревьев и различных сооружений. Однако в связи с тем, что мощность переизлучения на УКВ невелика и благодаря сильному затуханию поверхностной волны на УКВ, радиус эффективного действия переизлучателей сравнительно невелик.
Характер влияния переизлучателей, особенно на метровом диапазоне, в значительной степени зависит от поляризации радиоволн. Наиболее часто встречающиеся вертикально расположенные переизлучатели возбуждаются лишь вертикально поляризованными волнами. Поэтому ошибки пеленгов при горизонтальной поляризации переизлучателей на УКВ меньше, чем при их вертикальной поляризации. Наиболее радикальным средством уменьшения ошибок, обусловленных влиянием переизлучателей, является применение узконаправленных антенн. Размеры таких антенн должны быть соизмеримы с длиной волны. Этим объясняется целесообразность применения в радиопеленгаторах антенн "волновой канал".
Влияние переизлучателей на УКВ зависит от высоты расположения антенны и переизлучателя над землёй. Точность пеленгования повышается, если брать пеленги на открытых возвышенностях при круто пересечённой местности на трассе поиска маяка. В этих случаях переизлучатели будут находиться в низинах местности с малой напряжённостью поля пеленгуемого маяка, а приёмник - в области с большей напряжённостью поля. Соответственно переизлучённое поле окажется значительно слабее основного и влияние переизлучателей будет незначительным.
В ряде случаев радиоволны при распространении от передатчика к приёмнику пересекают границы двух сред с резко отличающейся приводимостью, например, береговую линию от воды к суше и наоборот. В этом случае при определённых условиях могут иметь место ошибки в пеленгах, известные как ошибки берегового эффекта.
Когда радиоволны распространяются не перпендикулярно к линии берега, а под каким-либо углом к ней, приращение дополнительной фазы происходит не одновременно во всех точках фронта волны. В результате при переходе от одной среды к другой фазовая скорость в разных точках фронта волны изменяется и линия равных фаз электромагнитной волны искажается. Горизонтальная проекция фронта волны, проходящая через точку А, представляет собой не дугу АВ окружности с центром в точке расположения передатчика О, а линию АВ`, т.е. отклоняется на угол Δ (см.рис):

Преломление радиоволн при пересечении границы двух сред и называется береговым эффектом.
По мере удаления радиоволн от береговой линии фазовая скорость на всех точках фронта волны постепенно выравнивается и напряжение линии равных фаз восстанавливается. Это значит, что при определённом расстоянии от береговой линии ошибка пеленга из-за берегового эффекта исчезает.
Установлено, что при пересечении этой линии радиоволной под углом, превышающим 20°, ошибка пеленгования из-за берегового эффекта незначительна, и, если пеленгатор находится на расстоянии 5 рабочих волн от берега, её можно не учитывать. При углах пересечения линии менее 20° ошибка пеленгования возрастает...

Следует знать, что могут возникнуть значительные ошибки при пеленговании на расстоянии не менее:
50-100м от металлических изгородей и заборов;
300-500м от железных дорог;
100-200м от воздушных телефонно-телеграфных и сильноточных проводов;
250-5--м от многоэтажных зданий и крупных мостов.
Наилучшим местом для пеленгования в лесной местности является центр открытой и ровной поляны радиусом 150-300м.
Можно ожидать больших ошибок и при пеленговании в горной местности вблизи крутых склонов гор, на обрывах, в ущельях, у возвышенностей(при их высоте 20м - на расстоянии менее 200м, при их высоте 500м - на расстоянии менее 4000м) .
Лучшим местом для пеленгования является отдельно расположенная возвышенность на трассе поиска маяка.
Необходимо общее правило: высотные переизлучатели(отдельно стоящие деревья, антенные мачты, заводские трубы) не должны находиться от точки пеленгования ближе расстояния, в 20 раз превышающего их высоту.

наверх