Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В фазовых радиодальномерах несущие СВЧ колебания мо­дулируются колебаниями более низкой масштабной частоты, к которой относятся фазовые измерения.

В наземных геодезических радиодальномерах применяется, как правило, частотная модуляция колебаний клистронного генератора.

Частотная модуляция. Пусть немодулированное излучение клистронного генератора описывается выражением вида

e = eOTsin(otf. (4.2)

Для осуществления частотной модуляции используется, как отмечалось в предыдущем разделе, явление, заключающееся в изменении частоты колебаний при изменении величины отри­цательного напряжения на отражателе клистрона.

Источником модулирующего сигнала является кварцевый генератор. Пусть этот генератор вырабатывает напряжение

Ua = Umsin£it. (4.3)

Если на отражатель клистрона, кроме постоянного отрицатель­ного напряжения (—£отР), подать напряжение Ua от кварце­вого генератора, то суммарное напряжение на отражателе будет

^отр= Sarp + t/mSinQ*, (4-4)

и при условии | Еотр | < Um суммарное напряжение остается от­рицательным, но его величина изменяется во времени по гар­моническому закону с частотой й. Вследствие этого будет из­меняться и частота колебаний.

Модуляционная характеристика клистронного генератора (зависимость частоты от напряжения на отражателе) имеет вид, показанный на рис. 72. Обычно работают на линейном участке характеристики (соответствующим выбором |£<>тр| и Um). При этом, как видно из рис. 72, несущая частота изме­няется во времени по закону модулирующего напряжения, но в противофазе с ним, т. е. если постоянному напряжению—Е0тр соответствует . частота ©о, то при напряжении (—Еотр+ + Umsin й t) частота изменяется по закону

о (t) = со®—Дю sin Sit, (4.5)

где Дсо — девиация частоты.

Уравнение (4.2) колебаний клистронного генератора при изменяющейся во времени частоте to — (o(t) превратится в урав­нение ЧМ колебаний:

84M=emsin^J©(0^J. (4.6)

Рис. 72. . Модуляция частоты клистронного генератора

Подставляя в (4.6) закон изменения частоты по (4.5), по­лучим

®чм = ®m sin (©„* р cos £W), (4.7)

где Р=іД©/й — величина, называемая индексом частотной мо­дуляции.

В геодезических радиодальномерах р обычно составляет 0,7—0,8. Спектр ЧМ колебания при р=0,7 показан на рис. 73. Полезными являются только составляющие ©о, ©о+й и. ©о—й; наличие остальных гармоник приводит к искажениям сигнала. Однако эти искажения невелики, так как амплитуда состав­ляющих с частотами ©0±2й равна примерно 7%. а составляю­щих с частотами ©о+Зй—1 % от амплитуды основной ча­стоты ©о.

Частоґно-импульсная модуляция. Наряду с ЧМ по гармони­ческому закону в радиодальномерах может использоваться ча­стотно-импульсная модуляция (ЧИМ), для осуществления ко­торой на отражатель клистрона подается периодическая после­довательность импульсов. Характер модуляции в этом случае показан на рис. 74. Если синусоидальный и импульсный моду­лирующие сигналы подаются на отражатель клистрона одно­временно, что имеет место на ведомой станции в некоторых типах радиодальномеров, то модулированное колебание, излу­чаемое клистронным генератором, получается весьма сложным по форме, а изменение частоты следует одновременно синусо­идальному и импульсному законам. Эти два вида модуляции частоты разделяются после приема на другой (ведущей) стан­ции радиодальномера (см. стр. 219).

Рис. 74.

Частотно-импульсная мо­дуляция клистронного генератора

Антенные системы

Антенные системы, или антенно-фидерные устройства, со­стоят из антенны и фидерной линии. Антенна служит для на­правленного излучения или приема электромагнитных волн, а фидерная линия — для передачи энергии от генератора к ан­тенне или от антенны к приемнику. Антенные устройства обла­дают свойством обратимости, т. е. любая передающая антенна может служить приемной, и наоборот. Направленные свойства антенн характеризуются диаграммой направленности, показы­вающей пространственное распределение напряженности поля излучаемых антенной волн.

В геодезических радиодальномерах применяются два типа антенн: параболические зеркальные антенны и рупорные ан­тенны.

Параболическая антенна. Она представляет собой металли­ческое зеркало в форме параболоида вращения, в фокусе кото­рого установлен облучатель. Выбор параболической поверхно­сти обусловлен тем ее свойством, что если в ее фокусе поместить точечный источник, то лучи, отраженные от нее, выйдут парал­лельным пучком.

В качестве облучателя при длине волн 10 см обычно ис­пользуется симметричный полуволновый вибратор (диполь). Он представляет собой проводник длиной около Я/2, разрезан­ный посередине. СВЧ энергия подводится к внутренним кон­цам двух четвертьволновых половин. Такой вибратор обладает резонансными свойствами: он хорошо излучает (и принимает) электромагнитные волны длиной %. В направлении своей оси

вибратор не излучает; макси­мальное излучение наблюдается в плоскости, перпендикулярной оси (эту плоскость называют эк­ваториальной, а любую проходя­щую через вибратор плоскость— меридиональной), причем оно одинаково по всем направлениям в этой плоскости. Для эффектив­ной же работы антенны необхо­димо, чтобы максимум излуче­ния приходился в направлении параболического зеркала, С этой целью обычно используется вто­рой полуволновый вибратор, ус­танавливаемый дальше от пара­болического зеркала (по его оси), чем первый, на величину Х/4 (рис. 75, а) и называемый рефлектором. В антеннах радио­дальномеров применяют пассив­ный рефлектор. Термин «пассивный» означает, что к нему непо­средственно не подводится энергия; внутренние концы его сое­диняются накоротко. Пассивный рефлектор получает энергию от волн, излучаемых первым (активным) вибратором. В резуль­тате интерференции полей активного и пассивного вибраторов, разнесенных на расстояние Х/4, создаются такие фазовые соот­ношения, что максимум энергии направляется в сторону, проти­воположную рефлектору, т. е. в сторону параболического зер­кала. Диаграмма направленности системы из активного и пас­сивного вибраторов в экваториальной плоскости показана на рис. 75, б. Она представляет собой кардиоиду, в то время как диаграмма одиночного активного вибратора, показанная на рис. 75, б пунктиром, есть окружность.

Вместо рефлектора возможно применять директор — пассив­ный вибратор, расположенный на Х/4 ближе к параболиче­скому зеркалу, чем активный вибратор. Директор направляет излучение в свою сторону, т. е. на зеркало. Рефлектор можно также заменить контррефлектором — дополнительным неболь­шим зеркалом, которое может быть плоским, сферическим, па­раболическим и гиперболическим. Система с параболическим главным зеркалом и гиперболическим контррефлектором (один фокус которого совпадает с фокусом параболоида, а второй лежит на его оси) называется антенной типа Кассегрена.

В качестве фидерной линии для волн длиной 10 см обычно применяется коаксиальный кабель (с согласующим устрой­ством), проходящий через отверстие в параболическом зеркале.

В параболической антенне для длины волны 3 см использу­ется не система вибраторов, а рупорный волноводный облуча-

тель с контррефлектором (металлическим зеркалом). Одна из конструкций такого типа показана на рис. 76. Излучение из от­крытого конца волновода распространяется в высокочастотном диэлектрике, материал которого обладает сравнительно неболь­шими потерями на СВЧ, отражается контррефлектором и на­правляется через диэлектрик в сторону параболического зер­кала.

В радиодальномерах для передачи и приема используется одно и то же зеркало, а разделение сигналов производится при­менением двух облучателей (для Х=10 см) или в волноводном тракте (для 3 см) при помощи развязывающих устройств.

Излучение вибратора линейно поляризовано, и это обстоя­тельство также используют для развязки передающего и при­емного трактов, располагая передающий и приемный облуча­тели перпендикулярно друг другу.

Рупорная антенна. Антенны этого типа имеют очень простую конструкцию и представляют собой по существу волновод, рас­ширяющийся на одном конце (рис. 77). Расширение, образую­щее рупор, необходимо для согласования волновода с откры­тым пространством (с целью устранить отражение волн об­ратно в волновод) и для создания направленности излучения. Рупорные антенны могут иметь различную конфигурацию. Оп­тимальный угол раствора рупора зависит от его длины; с уве­личением длины он уменьшается и уменьшается ширина диа­граммы направленности. Однако слишком увеличивать длину конструктивно неудобно и поэтому недостаток рупорных ан­тенн— относительно большая ширина диаграммы направленно­сти (десятки градусов при приемлемых размерах), что влияет на дальность действия радиодальномера. Достоинством же ру­порных антенн является их широкополосность — способность работать в достаточно широком диапазоне волн без изменения конструкции (требуется только изменение настройки согласую­щих устройств фидерных линий).

Диаграмма направленности антенн радиодальномеров. Для построения диаграммы направленности измеряют напряжен­ность поля во всех направлениях вокруг антенны на одинако­вых расстояниях от ее центра. Результаты измерений изобра­жают графически, откладывая в определенном масштабе зна­

чения напряженности вдоль раз­личных направлений из центра антенны О (рис. 78) и соединяя полученные точки плавной кри­вой. Шириной диаграммы на­правленности называют угол 0 между двумя направлениями, соответствующими уменьшению напряженности поля в У~2 раз от максимального значения (или уменьшению мощности в 2 раза).

Для параболической антенны диаграмма одинакова в горизон­тальной и вертикальной плоскостях и имеет вид, изображенный на рис. 78. Ширина диаграммы 0 зависит от диаметра зеркала d и длины волны (Q~h/d). При d=0,5 м угол 0 равен 12—15° для %= 10 см, 5—6° для А,=3 см и ~1° для Я=8 мм. ‘

Приемные тракты

На каждой станции радиодальномера происходит прием и смешение модулированных колебаний от своей и другой стан­ции, выделение и усиление разностной (промежуточной) ча­стоты и детектирование. Дальнейшие операции на ведущей и ведомой станциях существенно различаются: на ведомой стан­ции осуществляется передача продетектированного сигнала на ведущую станцию, а на ведущей станции — фазовые измерения.

Рассмотрим приемные тракты более подробно. Итак, прежде всего на каждой станции должен быть смеситель, в котором осуществляется смешение своих и принятых от другой станции ЧМ колебаний. Смесителем обычно служит полупроводниковый диод, нагрузкой которого является колебательный, контур, на­строенный на разность несущих частот смешиваемых колеба­ний, называемую промежуточной частотой. Смеситель имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (зависимость тока і от напряжения U), с достаточной точностью описываемую по­линомом вида

і -{-QqU*, (4.8)

где Оо, Сі, аг — экспериментально определенные коэффициенты.

При подаче на смеситель двух ЧМ колебаний напряжение U является суммой двух напряжений: U = UЧщ+Uчщ, и

і —<h +ai 4Mt + U чм4) +<*2 (^чмх + ^чма)2- (4.9)

Поскольку напряжения L/цщ и U4щ образовались в резуль­тате приема колебаний от различных станций / и 2, расстояние D между которыми радиоволны проходят за время td=D/v, то можно записать (начальные фазы для простоты не учитываем):

ичщ = Umi sin (m^ + Px cos Qity, (4.10)

U 4Ma = ^ma sin [©2 (t — To) + P2 COS Q2 —To)]. (4.11)

Подставляя эти выражения в (4.9), можно получить спектр тока на выходе смесителя. Из этого спектра нас интересует лишь составляющая промежуточной частоты ©пр=|©і—©2І — Подробный анализ показывает (см. например, [13]), что на­пряжение промежуточной частоты, выделяемое на нагрузке фильтра УПЧ, описывается уравнением вида

t/пр = Umnp [1+m-cos (Q/ + <p q)] cos (юпр< + ф J, (4.12)

где Q=|Qi—й2|, а фазы qo и <pw есть функции времени то, причем их значение зависит от того, на какой станции — веду­щей или ведомой — рассматривается процесс смешения. Если индекс 1 означает ведущую, а индекс 2 — ведомую станцию, то на ведущей станции фо = ЙгГо. фш = «>аТо> а на ведомой фо =

= QiT0, фв=—©xTj).

Соотношение (4.12) есть уравнение амплитудно-модулиро — ванного колебания с несущей частотой ©пр. Действительно, оно имеет вид

t/np = A (It) cos (ш„рt + фш),

т. е. имеет амплитуду A(t), изменяющуюся во времени по за­кону

А (0 = Umup [1 + tn COS (Of + фо)] (4.13)

с частотой Q=|Пі—П2|, которая, отметим, намного ниже мо­дулирующих частот £2і и й2.

Величина m есть коэффициент амплитудной модуляции, ха­рактеризующий ее глубину. Он зависит от индексов частотной модуляции и при 01 = 02=0,7 равен 0,28. Множитель U, ппр в (4.13) есть амплитудное значение напряжения t/np; оно про­порционально произведению £/щ,- Umr

Таким образом, при смешении двух ЧМ колебаний с несу­щими частотами ні и % и модулирующими частотами Qt и й2 возникает AM колебание частоты (оПр=|а>і—©г| с огибающей частоты Q=|Qi—П2|, определяемой уравнением (4.13).

В полученном AM сигнале информация о времени распро­странения тв содержится как в фазе несущей (величина фю), так и в фазе огибающей (величина фо). Гораздо легче рабо­тать с низкой частотой Q, чем с высокой частотой соПр — Поэтому далее выделяют огибающую, для чего AM сигнал подвергают амплитудному детектированию. В качестве детектора исполь­зуется обычно, полупроводниковый диод, к которому добавля­ется RG фильтр, пропускающий только колебания низкой ча­стоты Q.

В соответствии с изложенным приемный тракт должен со­держать: приемную антенну, смеситель, усилитель промежу-

Станция

Станция II

Рис. 79. Построение приемного тракта станции радиодальномера

точной частоты (УПЧ) и амплитудный детектор (АД); до ам­плитудного детектора включительно схемы ведущей и ведомой станций идентичны (рис. 79).

На выходе амплитудного детектора каждой станции выде­ляется гармонический низкочастотный сигнал вида

Uнч =в юь (М+Ча), ‘ (4.14)

где B = mUm„p — При этом, как уже отмечалось выше, <ро равно Q2td на ведущей и —QiTd на ведомой станции.

Чтобы извлечь информацию о тк, надо измерить разность фаз между НЧ сигналами станций I и II. Для этого необхо­димо сначала передать НЧ сигнал с одной станции на другую. Это тот этап, на котором функции станций разделяются на ве­домую и ведущую (ведущая та станция, на которую переда­ется НЧ сигнал и где производятся фазовые измерения).

Комментарии запрещены.