Международная научно-техническая конференция школьников
«Старт в науку»
Установка для автоматического определения азимутов источников электромагнитного излучения в диапазоне ультракоротких волн
учащийся 11 класса гимназии № 000 г. Москвы
Научный руководитель: учитель гимназии № 000,
Заслуженный учитель России,
член Федерального экспертного Совета по физике,
Соросовский учитель
г. Долгопрудный
2001 г.
Установка для автоматического определения азимутов источников электромагнитного излучения в диапазоне ультракоротких волн
1. Введение
Со времени открытия радио Поповым прогресс радиотехники в ХХ веке можно сравнить с достижениями ядерной физики, молекулярной биологии, физики и химии материалов и другими прорывами научной и конструкторской мысли. В современном обществе возможности радиотехники нелегко переоценить - их результаты на каждом шагу, ими пользуется каждый. Невозможно представить себе современную жизнь и работу без радио: от радиостанций экстренных служб авиадиспетчеров до межпланетной и дальней космической связи.
Как представляется автору, одним из интересных направлений радиотехники является определение местонахождения источника радиоизлучений – пеленгация. Для нахождения азимутов передатчиков используют приемники с направленными антеннами и электронные устройства, представляющие результат поиска в понятной наблюдателю форме. Обычно в простых пеленгаторах оператор сам находит источник радиоволн по показаниям измерительных приборов. Используя персональный компьютер, работающий совместно с приемником, можно автоматизировать процесс поиска источника радиоизлучений, наблюдать перемещение передатчика, выбирать удобную форму представления результатов сканирования.
С этой целью разработана и изготовлена установка для определения азимутов радиопередатчиков ультракоротких волн, использующая IBM PC-совместимый персональный компьютер для обработки сигналов, поступающих с радиоприемника. Для совместной работы с компьютером использован УКВ ЧМ приемник на основе микросхемы КХА-058. Частота настройки приемника определяется величиною управляющего напряжения, подаваемого на варикап. Методом проб и ошибок был найден контакт на микросхеме, величина напряжения на котором изменяется в зависимости от интенсивности несущей частоты. Преобразование цифрового сигнала компьютера в аналоговое напряжение и наоборот – из аналогового сигнала в цифровой код, осуществляет интерфейсная схема.
С помощью данной установки можно проводить сканирование некоторого диапазона ультракоротких волн и определять частоты работающих передатчиков. При указании пользователем конкретной частоты источника излучений, путем вращения антенны и измерения уровня принимаемого сигнала автоматически находится направление наилучшего приема. Если передатчик не закрыт препятствиями и не наблюдается сильных отражений, это направление будет соответствовать направлению на передатчик. Настроившись на ЧМ радиостанцию, ее передачи можно прослушивать с помощью внешнего усилителя и громкоговорителя.
Рис. 1. Фотография внешнего вида установки |
Настоящая работа осуществлена с использованием оборудования кафедры физики и информатики московской гимназии № 000.
2. Состав установки
Фотография внешнего вида установки приведена на рис. 1.
Устройство состоит из:
1. рамочная антенна,
2. радиоприемник, закрепленный вместе с антенной на поворотном механизме,
3. блока питания на 5В и 12В, двухвходового десятиразрядного АЦП (аналого-цифрового преобразователя)
Рис. 2. Поворотный механизм |
Поворотный механизм (рис. 2) включает в себя электродвигатель постоянного тока (3) с редуктором, датчик угла поворота (1) - переменный резистор, соединенный пассиком с главной осью, и вращающийся блок (2), на котором размещена антенна и УКВ радиоприемник. Радиоприемник помещен в металлический короб, который экранирует его от внешних электромагнитных полей.
На рис. 3 приведена фотография экранированного корпуса в котором размещены блок питания и десятиразрядный АЦП
Рис. 3. Фотография экранирующего корпуса в котором размещены блок питания и десятиразрядный АЦП |
3. Работа установки.
В зависимости от угла поворота переменного резистора изменяется напряжение на его среднем выводе. Это напряжение зависит от угла поворота антенны. Направленная антенна рамочной конструкции использована для уменьшения габаритов конкретного устройства (габариты эффективно работающей антенны для диапазона ультракоротких волн составляют около четверти длины волны, то есть более 60 см.). Для увеличения точности обнаружения может быть использована антенна больших размеров и с более острой диаграммой направленности (например, типа «волновой канал»), но при этом необходим более мощный вращающий механизм.
Рис. 4. Принципиальная схема УКВ ЧМ приемника. |
В данной конструкции радиоприемника частота настройки изменяется при изменении подаваемого на варикап напряжения (от 1В до 5В), что позволяет управлять ею с помощью сигнала компьютера, преобразованного ЦАП в аналоговую форму. С микросхемы приемника, имеющей функцию АРУ (автоматической регулировки усиления) снимается напряжение АРУ, определяющее уровень несущей, принимаемой антенной на частоте настройки, а также звуковой сигнал радиостанции в случае, если приемник настроен на частоту радиостанции УКВ ЧМ диапазона. Принципиальная схема УКВ ЧМ приемника приведена на рис. 4.
Напряжение на варикапе задается программой, управляющей портом LPT компьютера.
Для управления напряжением используются 10 разрядов ЦАП. Десятиразрядный ЦАП может задавать 1024 значения напряжения, точность зависит от точности подбора сопротивлений резисторов делителя и в задаче нахождения максимального уровня сигнала не влияет на точность измерения. При сборке ЦАП следовало учесть, что у параллельного (принтерного) порта IBM PC буферные усилители[1] разных разрядов имеют разные уровни выходных сигналов. При работе с принтером это не имеет значения, так как эти выходные сигналы укладываются в диапазон 2,5-5 В, необходимый для надежной работы принтера. Для работы с АЦП уровни выходных сигналов должны быть одинаковыми. Это достигается включением дополнительных буферных усилителей (микросхемы DD2 и DD3) между выходом IBM PC и цепочечным делителем r-2r ЦАП.
Блок-схема установки приведена на рис. 5.
Рис. 5. Блок-схема установки |
Когда требуется изменить напряжение настройки приемника, то на два других контакта принтерного порта подаются сигналы, которые открывают электронный ключ на транзисторе, и напряжение с ЦАП идет на запоминающее устройство на полевом транзисторе. На конденсаторе, соединенном с затвором транзистора, нужное напряжение сохраняется долгое время (за несколько секунд оно изменяется на величину, меньшую погрешности измерения), так как ток утечки затвора полевого транзистора чрезвычайно мал. Запоминающее устройство необходимо затем, что один и тот же ЦАП применяется и для задания напряжения на варикапе, и для измерения напряжений АРУ и датчика угла поворота антенны, но частота настройки должна сохраняться, поэтому на время измерений ЦАП отключается от запоминающего устройства, а оно поддерживает нужное напряжение на варикапе.
Измерение напряжения с датчика угла поворота и с приемника производится АЦП, в состав которого входит ЦАП и компаратор на транзисторах. Напряжение на логическом выходе компаратора зависит от того, на каком из двух его входов напряжение выше.
Если повышать с помощью ЦАП напряжение на одном из входов компаратора и подавать измеряемый сигнал на другой вход, компаратор переключится, когда напряжения сравняются, и состояние порта определяет напряжение сигнала. Принципиальная схема АЦП приведена на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема АЦП |
Так измеряются напряжения с датчика угла поворота антенны и с выхода приемника. Входы переключаются электронным ключом на транзисторах. Для того, чтобы двумя сигналами с порта управлять тремя положениями электронного ключа (включением первого входа, включением второго и отключением обоих), а также подключать к выходу ЦАП электронное запоминающее устройство, собран преобразователь сигналов, который Схема преобразователя управляющих сигналов также увеличивает напряжение коммутации с 5 до 10 В (это необходимо, чтобы микросхема коммутатора могла переключать напряжения до 7 В).
4. Режимы работы
График зависимости уровня сигнала несущей от напряжения на варикапе |
У устройства два режима работы. В первом режиме диапазон частот, доступный приемнику, сканируется и измеряется уровень принимаемого на этой частоте сигнала. Так находятся частоты, на которых работают радиопередатчики. При этом на экране строится график зависимости уровня несущей от частоты.
Результат поиска на экране компьютера |
Далее пользователем программы выбирается частота нужного передатчика для нахождения азимута.
Во втором режиме пользователь включает поворотный механизм антенны, и программа проверяет изменения уровня сигнала при движении антенны. По наибольшему уровню сигнала находится направление на передатчик. Если в каком-то диапазоне углов принимаемая антенной мощность сигнала радиостанции велика, АРУ приемника насыщается, и напряжение на входе АЦП остается максимальным. В таком случае направление находится программой приблизительно, как средний угол с постоянным напряжением.
5. Программа
Программа, работающая с установкой, реализует один из возможных способов отображения результатов пеленгации. Она написана на языке Turbo Pascal, на котором несложно работать с принтерным портом и графическим режимом. Кроме подсчета угла, она строит график зависимости напряжения АРУ от частоты настройки приемника (в первом режиме работы) и напряжения АРУ от угла поворота антенны (во втором режиме). Основу программы составляет алгоритм работы с ЦАП. Десятичное число, подаваемое на ЦАП, анализируется, если в нем включены старшие разряды 512 и 256, включаются соответствующие контакты управления, и задается по адресу параллельного порта. Для работы с АЦП на вход ЦАП подается число 512, и в зависимости от состояния компаратора к нему прибавляется или отнимается 256. Затем новое число посылается в порт, и к нему прибавляется или отнимается 128. Сравнение происходит до тех пор, пока прибавляемое число не станет меньше единицы. Этот алгоритм намного быстрее простого перебора, кроме того, каждое измерение занимает одинаковое количество времени. Процедуры получения и задания уровней сигнала установке могут быть использованы и в других программах, реализующих другой интерфейс или предназначенных, к примеру, для автоматического постоянного поиска радиостанций.
6. Использование
Использование данной установки осложнено, если сильны отражения радиоволн (например, в железобетонных зданиях), если передатчик располагается близко от точки наблюдения или его сигнал слишком велик В таком случае возможны два пика уровня сигнала данной частоты при разных углах, или напряжение насыщения. Для правильного измерения оператору не рекомендуется находиться близко от антенны. Плохо экранированный или не заземленный персональный компьютер также может создавать сильные помехи для приемника.
7. Перспективы разработки
Данное устройство может послужить макетом для более практичного устройства пеленгации. В дальнейших разработках следует расширить применение ПК и реализовать автоматический вращательный механизм. Для этого необходимо воспользоваться дополнительными портами ПК, потому что все 12 разрядов порта LPT использованы в установке как разряды ЦАП или управляют электронными ключами. Сделав электронный регулятор чувствительности, можно повысить точность нахождения азимутов и искать мощные радиостанции, а также справляться с отраженными сигналами.
8. Возможности использования
Возможность ориентирования антенны на передатчик может пригодиться в бытовых радиоприемниках, а также для поиска радиомаяков. При необходимости поддерживать связь с несколькими находившимися в различных местах людьми, можно осуществлять почти мгновенную перестройку частоты и угла поворота антенны. Постоянно вращая антенну и получая информацию с АЦП об ориентации антенны и уровне несущей, компьютер может отследить перемещение некоторого передатчика. С помощью установки можно определить положение источника промышленных помех или другого устройства, излучающего радиоволны этого диапазона. В движущихся транспортных средствах вращением антенны может поддерживаться постоянная ее ориентация на передатчик, чем обеспечивается лучшее качество приема. Возможны и другие применения, связанные с поиском частоты и азимута источников излучения.
Литература:
1. “Спортивная радиопеленгация” 1980
2. “Космические радиолинии” Знание, 1986
3. “Электроника и шпионские страсти” 1998
4. “Радио” июнь 1978
5. “Курс электроники и радиотехники” Государственное издание технической литературы, 1952
6. “Радиохобби” февраль 2000
Ильин Алексей
[1] Буферный усилитель - усилитель, включенный между внешними устройствами и шиной данных ЭВМ.
