> Техника, страница 39 > Гониометр

Гониометр

Гониометр, прибор для измерения двугранных углов, гл. обр., кристаллов. 1) Г. отражательный — состоит из коллиматора А, зрительной трубы В и столика С для изучаемого кристалла (фигура 1). Коллиматор неподвижен, а труба В и столик С могут вращаться независимо друг от друга ок. общей оси О. При помощи микрометрических винтов ребро измеряемого угла устанавливают так, чтобы оно совпадало с этой осью. Параллельный пучок лучей из коллиматора направляется на ребро кристалла и разделяется им надвое: часть лучей отражается от грани КМ, а другая часть—от грани KL. Через трубу наблюдают отражение щели коллиматора сперва в грани КМ, а потом в грани KL. Для этого вращают либо трубу либо столик С с изучаемым телом и производят отсчеты по лимбу. II первом случае разность отсчетов равна удвоенному измеряемому углу, во втором—дополнению

этого угла до 180°. Конструкции этого прибора весьма разнообразны: ось м. б. вертикальной или горизонтальной; иногда коллиматор отсутствует, и тогда наблюдают отражение в грани кристалла какого-нибудь отдаленного предмета. Отражательным Г. можно пользоваться для определения показателя преломления. Точность прибора зависит от точности делений его лимбов, верньеров и других деталей устройства им. б. сделана очень большой. 2) Г. рыча ж н ы й—служит для измерения двугранных углов, грани которых не представляют собою зеркальных поверхностей. Ось его горизонтальна. Как и в отражательном Г., одно из ребер кристалла приводят к совпадению с этой осью и вращают кристалл около нее. При этом сначала одна, затем другая грань измеряемого угла делается горизонтальною. Горизонтальное положение данной грани находят при помощи весьма легкой системы двух рычагов: АВ и CD (фигура 2). Изогнутый книзу конец А горизонтально расположенного рычага АВ касается данной грани кристалла. Рычаг АВ может вращаться в вертикальной плоскости около оси (). Кроме того, его можно передвигать в горизонтальной плоскости вместе с осью Q и со всей системой рычагов, перемещая стойку так, что конец его А будет скользить по"грани кристалла. Если при этом конец А рычага АВ не перемещается в вертикальном направлении, то это служит признаком горизонтальности данной грани. Т. к. вертикальное перемещение конца А весьма незначительно, то его наблюдают не непосредственно, а по длинному плечу В рычага (указателя) CD, короткое плечо которого связано с кои-

ном А. Достигнув горизонтального положения грани, производят отсчет по вертикальному кругу. Разность таких отсчетов для двух граней дает величину двугранного угла между ними. 3) Г. с м и к р о с к о п ом. При пользовании этим Г. устанавливают сначала одну,а потом и другую грань измеряемого двугранного угла кристалла в плоскости, перпендикулярной оптнческ. оси микроскопа. Для этого кристалл вращают около ребра измеряемого угла. Угол поворота кристалла, даваемый непосредственно отсчетами, равен искомому двугранному углу. Микроскоп можно передвигать отдельно от кристалла в плоскости, перпендикулярной его оптической оси. Если при этом данная грань остается все время ясно видимой, то это и служит признаком того, что данная грань также перпендикулярна этой оси.4) Г. п р и-кл ад и ой·—состоит из круга с делениями и двух линеек. Линейки могут вращаться независимо друг от друга в плоскости, параллельной плоскости круга, около оси, проходящей через его центр. Грани измеряемого угла приводят в соприкосновение с краями линеек и по их концам делают отсчеты.

Для измерения плоских углов, образуемых ребрами кристалла, служит микро-гониометр. Данную грань кристалла наблюдают в микроскоп и приводят к совпадению с окулярной нитью микроскопа сначала одно ребро его, а потом другое.

Лит.: Грот П., Физическая кристаллография, СПБ, 1897. IY1. Левицкая.

Гониометр в радиотехнике, устройство, состоящее из двух равных взаимно перпендикулярных, симметрично расположенных относительно общей вертикальной оси неподвижных катушек, называемых гониометрическими, внутри которых на оси, совпадающей с общей осью симметрии гониометрических катушек, вращается третья катушка, называемая искательной. К гониометрическим катушкам присоединяются две совершенно одинаковые взаимно перпендикулярные антенны замкнутого или открытого вида, направляющее действие которых выражается законом cos а. К искательной катушке приключаются, в зависимости от назначения, или цепь радиопередатчика для возбуждения через посредство ее антенн или цепи приемника, причем в этом последнем случае в искательной катушке происходит складывание эффектовприема обеих антенн. В современной радиотехнике идея гониометра используется для целей направленной радиопередачи и направленного радиоприема. В технике радиопередачи I. нашел применение в радиомаяках В радиоприеме гониометр употребляется: 1) в пеленгаторах, гл. обр. разработанных Комп. Маркони, и 2) в коммерческих приемных центрах многократного приема—для целей направленного радиоприема.

Теория действия Г. при п р и е-м е. Если передающая радиостанция находится в направлении, составляющем азимутальный угол а (фигура ]) с плоскостью антенны А В (обычно в виде замкнутого контура; центр катушек О считается за начало координат), то эдс, возбуждаемая электромагнитным полем волны в антенне АВ,

E=Е · sin ωί · cos а и в антенне C1J

Е"=Е · sin (ut · sin α,

где E—максимальная амплитуда эдс, которая индуктировалась бы в любой из антенн, если бы направление на передающую станцию совпадало с плоскостью этой антенны. Эти эдс, в свою очередь, индуктируют в искательной катушке, находящейся относительно антенны АВ иод углом β, эдс, относительное значение которых

Е_г— E cos оЛ · cos а cos β

и

Е_г=Е"cos ω(·είη α-sin β.

Полная эдс в катушке равна

Е₂=Е_гЕЕ7=E cos <ut · ccs (α—β). Максимум Е_г будет при а — β, то есть когда плоскость искательной катушки совпадает с направлением на передающую станцию;

Δα°

минимум Е₂ будет при β — а ± 90°. Таким образом, Г. при двух неподвижных антеннах дает такую же 8-образную направленную характеристику, как вращающаяся рамка (смотрите). Гониометр работает согласно приведенной теории только в том случае, если соблюдены следующие идеальные условия.

1) Токи в обеих антеннах должны точно совпадать по фазе. Если токи не в фазе, то возбуждаемые ими магнитные поля в гониометрических катушках будут:

//,=E sin cot — x и //,=E" sin (ω< -f- φ) — у, где φ — угол сдвига фазы токов. Поле /7, можно разложить на два составляющих поля: H_t=E" cos φ-sin (ut+E" sin φ-cos ωί=Ζ/₃+Z/₄. Поля H_i и Jf₁ создают эллиптическое вращающееся поле с осями Е и E" sin φ; уравнение поля ( )=1- Поле Я₃=

=у=Е"cos φ-sin cot — нормальное переменное поле, обусловливающее правильную работу гониометра согласно приведенной выше теории; вращающееся нее поле приводит к искажению минимумов, а также к нарушению их резкости.

2) Обмотки гониометрии, катушек должны иметь точно одинаковое число витков, одинаковые размеры, равные сопротивления и должен быть строго симметрично расположены относительно искательной катушки. Если одна из катушек сдвинута на некоторый £ гр относительно своего правильн. положения, то £ β для минимума определится изур-ия:

Па фигура 2 кривая изображает сдвиг минимума при у>=5°. Минимум может терять при этом свою резкость из-за появления вращающейся слагаемой поля в полости катушки.

3) Антенны Г. должны быть: а) одинаковых размеров и иметь одинаковые сопротивления высокой частоте, б) симметрично расположены относительно общей оси (мачты, к которой они подвешены).

а) Если антенны по размерам не равны, то в этом случае

Е=Е_х sin oil cos а и Е" — Е₂вin ωί-sin α и при минимуме

tg/?= - E, ^CtS^a·

В табл. 1 показаны отклонения Л a при различных :

£<«

Таблица 1.— Отклонения Да при р а з л п ч-Е,

^ных Ё,-

Величина угла a	ф-=0,95 " 3	Й - *·*
0°	0°	0°	0°
15°	+ 0С45	— 0°41	-119
30°	-f lc17	-1°12	—2“1S
45“	-fl°28	-1°24	— 2°44
60°	4-l°15	-lc13	— 225
75°	*f0c43	-0°43	-1°25
90°	0°	0°	0°

Если одна из антенн сдвинута на некоторый угол относительно своего правильного положения, то

te в =__-¹_____^ct*^a

^ot COS5 1+Ctga-tgi

На фигуре 2 кривая 2 изображает отклонение минимумав Λα при с=5°. Если сдвинута одна из катушек и одна из антенн, то искажения минимумов будут еще больше; в этом случае

D __1 Ctg a _f

” COSV-COSi 1 + ctga-tg; 34 ·

Кривая 3 на фигуре 2 изображает отклонение минимумов при U’=5° и ς=5°.

б) Электрич. несимметрия антенн, помимо чисто механическ. причин (несимметричной конфигурации антенн, различной высоты над землей при провесах и др.), которых в большинстве случаев практики можно избежать, обусловливается также и вводами, обычно длиною в несколько м, которые создают неизбежную электростатич. несимметрию всей системы. При неравенстве емкостей С и С_г(фигура 3) токи в гониометрической катушке L от половины 1 и II антенны относительно земли (антенный эффект замкнутых антенн) оказываются в минимуме приема неравными по величине, разность их /_х—примерно пропорциональна <о(С_г — С₂); токи сдвинуты по фазе, так как для тока /,

^aL~ik

и для тока I,

u>L ·

tg <Рг =

1

U>Ci

R

Следовательно, схема фигура 3 при невозможности компенсации антенного эффекта не .может обеспечить резкого минимума и для правильной работы Г. непригодна. Последствия неравенства емкостей С_х и С_г в значительной мере м. б. ослаблены если центр катушки L заземлить (фигура 4). В этом случае токи /, и /₂ не ответвляются соответственно на емкости С_х и С₂, а следовательно, в каждой половине катушки токи равны по фазе и приблиз. величине (1_х—1. — 0). Незначительные неточности в намотке катушек, а также неравенство емкостей С_х и С₂ м. б. затем скомпенсированы соответствующим подбором конденсаторов С₃ и С. Если в заземляющий провод ab (фигура 4) для каких-либо

целей (например, использование антенного эффекта замкнутой антенны) будет включена катушка самоиндукции, то симметрия системы снова нарушится, т. к. токи 1_Х и 1_г начнут ответвляться соответственно на емкости С₂ и С_г, с последующим расхождением по величине и сдвигом фаз. Т. о., для получения резкого минимума в Г. средние точки гониометрических катушек должны быть обязательно заземлены.

Схемы включения Г. Для целей радиоприема антенны Г. или настраивают или имеют ненастроенными—апериодическими. В первом случае связь между катушками гониометрическими и искательной

берут слабой (коэффициент связи—порядка

3—5%), а наиболее рациональная схема всего устройства для реализации приведенных выше условий получает вид, показанный на фигуре 5.

Схема Г. с ненастроенными антеннами имеет вид, показанный на фигуре 6. Схема эта предложена Маркоии и широко используется современной техникой радиоприема. Коэфф. связи между искательной и гониометрии. катушками в этом случае доводят до 50—80%. Наилучший по силе прием полу-

чается при условии M_opt=Lt I |% где Lj—суммарная самоиндукция гониометрпч. катушки и антенны (обычно L_g катушки берут равной L_a антенны), />’,—сопротивление антенной цепи, —сопротивление иска тельной катушки, М,

opt

• паивыгоднеишая взаимоиндукция; при M_0],_t напряжение на зажимах искательной катушки К_г =

^{J £}тах

_ Е L, ω

=₂ j/k _л ’^{гд0 i—Э}А^С> возбуждаемая в антенне сигналами, а 7),—самоиндукция искательной катушки. Так как поле внутри гониометрия. катушек не равномерно, а именно, как во всяком соленоиде, сгущается ближе к намотке и ослабляется к центру, то результирующее поле будет несколько отклоняться от своего правильного направления и эта ошибка Г. имеет октанальный характер, как показано на фнг. 7. При слабых связях она незначительна—меньше 1°, при сильных

в пеленгаторах, где точность показания искательной катушки играет большую роль, намотка последней делается из двух секций, сдвинутых одна по отношению к другой приблизительно на 45°.

Гониометр с апериодическими антеннами нашел широкое применение для многократного приема в коммерческих приемных узлах Англии, Германии и Франции. По сравнению с другими видами направленных антенн Г. имеет следующие преимущества:

4’ /V w о

к оета/ш/ым приемникам

W

S /VW О

к другим II

приемника.!

Фиг.

8.

1) при одном антенном устройстве Возможен одновременный многократный направленный прием со всех желаемых направлений почти на любое число приемников на разных волнах; 2) характеристика направленного действия может быть легко проверена поворотом искательной катушки; это свой ство гониометра позволяет, в случае необходимости, очень точно установить минимум приема от мешающей станции, несколько смещая катушку относительно максимума на принимаемую станцию (корреспондента),

4 N w о

катушки эко. антенне

благодаря этому за счет небольшого ослабления силы приема от корреспондента самый прием получается без помех; 3) Г. обеспечивает хорошие условия для получения однонаправленного приема на любом приемнике в системе многократного приема.

Многократный прием м. б. получен путем включения гониометрия. катушек последовательно (фигура 8,1) или параллельно (фигура 8, Л). Опыт показывает, что параллельное включение катушек более рационально, чем последовательное, по той причине, что при параллельном включении

1 о

возможность заземления центров всех гониометрических катушек обеспечивает сохранение резких минимумов в направленной характеристике каждого Г. (смотрите выше). Выбор коэфф. связи между гониометрическими и искательной катушками при многократном приеме определяется следующими условиями: 1) если прием ведется на фиксированных различных волнах, то связь берется сильной, порядка 40%; 2) если прием берется на близких волнах, причем в процессе эксплуатации настройка приемников изменяется, связь берется слабой, порядка 5%. Устранение влияния одного приемника на другой путем ослабления связи приводит к уменьшению напряжения от принимаемой станции на зажимах искательной катушки обычно в 3—1 раза. Для получения приема на близких волнах в оптимальных условиях гониометрия, катушки для случая параллельного включения связываются со специальным отвязывающим контуром по схеме, приведенной на фигуре 3.

Однонаправленный п р и е м при Г. осуществляется по схеме фигура 10 путем комбинирования приема от замкнутой и открытой антенн; получающаяся в результате характеристика имеет ур-ие в полярных координатах e=77(cos α + i), то есть ур-ие кардиоиды. В качестве открытой антенны часто применяется или вертикальный луч, подвешенный к той ясе мачте, на которой подвешены замкнутые антенны (фигура 10,1), или же сами замкнутые относительно земли антенны (фигура 10,11), для чего в провод,

заземляющий середины гониометрических катушек, включается катушка для связи с промежуточным контуром. Вызываемое этой катушкой искажение минимумов замкнутых антенн роли не играет, т. к. минимум однонаправленной характеристики получается в максимуме двусторонней характеристики (по закону cos а). На фигуре 11 изображена векторная диаграмма получения кардиоид-ной характеристики при Г.: вектор Е (пунктир)—напряжение поля волны, Е_а и — эдс и ток в открытой антенне, Е_р и I_р — напряжение и ток в замкнутой антенне. Эта диаграмма получается при условии, что 1) открытая антенна безусловно апериодич-

на R„»ω L_a — ¹. 2) замкнутые антеп-

(О Од ны имеют Ιίρ « ω L_{p >}

3) настроенный контур приемника не влияет на антенные цепи. Реализовать эти условия практически очень трудно; потому фазовые соотношения, указанные в диаграмме на фигуре 11, практически несколько искажаются. В результате минимум однонаправлен. характеристики теряет резкость. Если замкнутые антенны дают в контуре приемника эдс Е cos а sin оЛ, а открытая антенна дает Е · sin (oil + φ), то результирующая характеристика получает следующий вид:

e=E VCOS a (COS а + 2COS φ) + 1.

Для получения резкого минимума открытую антенну связывают с контуром приемника помощью промежуточного фазирующего контура. При изменении настройки в контуре фазовый угол изменяется согласно ур-ию где Я₀—резонансная волна, 1,—волна расстройки н (1—декремент контура. Т. о., меняя настройку фазирующего контура, можно подобрать такую фазу тока в нем, что φ в приведенном выше уравнении станет равным О. При многократном приеме одна и та же открытая антенна используется для получения однонаправленного приема во всех приемниках. Открытая антенна в этом случае связывается с настроенным фазирующим контуром каждого приемника через лампу по схеме фигура 12. Также находит применение и связь без посредства лампы.

Кроме фазовых соотношений, для получения правильной однонаправленной характеристики необходимо, чтобы эдс, получаемая в контуре приемника от замкнутой антенны, была равна эдс, получаемой от открытой антенны. Обычно, при той же самой геометрической высоте подвеса замкнутой антенны, как и у открытой, действующая высота открытой антенны больше. Отношение действующих высот открытой и зам-

h„ > тт кнутов антенн.=-., где П—высота

^J h_p ίτ.Ηη ’ "

подвеса антенн, а η—число витков замкнутой антенны (замкнутая антенна предполагается треугольной).

Поэтому связь с открытой антенной берут слабой;кроме того нек-рая потеря в слышимости от открытой антенны получается ч>иг. 13.

на фазирующем контуре. В установках многократного приема антенны обычно подвешивают к мачтам высотой в 40—70 .ч. Для приема волн порядка только 1 000—5 000 .и рационально применять мачты более низкие, порядка 20—30 метров Замкнутой антенне обычно придают конфигурацию равносторон. или равнобедренного

2500м

Фпг. 1.

треугольника. Самоиндукция таких антенн—порядка 800 000 см.

Характеристика на правде н-н о с т и с о в р е м е н и ы х Г. Направленный прием в современных приемных станциях является основным сродством для борьбы с атмосферными помехами (смотрите); атмосферные разряды часто принимаются по преимуществу с одного направления. В качестве примера на фигуре 13 показана зава-

симость между направлением и количеством атмосферных разрядов при одностороннем приеме на гониометре на волне порядка 15 000 метров близ Москвы. Для получения наибольшего эффекта в смысле освобождения от действия атмосферных разрядов на прием, в современных приемных эксплуатон-пых установках стараются возможно более резко развить направленное действие антенных устройств. Для увеличения направленности в настоящее время пользуются комбинацией двух гониометрических устройств, расставлен. на нек-ром расстоянии друг от друга (фигура 14) При помещении приемника в середине на линии, соединяющей два гониометра, и при приеме с направлений, являющихся продолжением этой линии, кривая направленности выражается ур-ием:

e=2Е (1 + cos а) · sin ^ · cos а),

где o—расстояние между гониометрами. На фигуре 15 показана характеристика направленности этого устройства при различных ? - Па фигура 16

кривая 1 показывает изменение величины максимумов (верхняя часть кривых на фигуре 15) приема при изменении У, кривая 2—

то же для обратных побочных максимумов (нижняя часть кривых фигура 15) и кривая 3—то же для отношении побочных максимумов к приемным максимумам. При применении дополнительного искусственного фазирования Г. могут быть расположены в любых расстояниях от места расположения приемников. В этом случае кривая направленности выразкается ур-ием:

е=2Е(1 cosa)-sin (1 + cosa)j.

Па фигура 17 кривая III показывает в декартовых координатах характеристику двух Г. при искусствен, фазировании; для сравнения на этой зке фигура показаны в приведенных масштабах характеристика кардиоиды (кривая I) и характеристика двух Г. без искусственного фазирования (кривая II); * ® ’» пунктирная кривая 1V

Фигура 17. показывает характе ристику волновой антенны (смотрите), принятой в Америке для тех зке целей. Хотя кривая ее направленности

имеет такую зке резкость, как и у двух Г., но возмозкности, даваемые ею, невелики: она позволяет иметь прием с одного направления нескольких корреспондентов в очень узком диапазоне волн. Критерием направленности антенн служат площади их характеристик с приведенными к одной величине приемными максимумами. В табл. 2 даны сравнительн. величины площадей рассмотренных выше антенных устройств по сравнению с открытой антенной и рамкой, площади которых принимаются за единицу.

Т а 0 л. 2. —Сравнительная характеристика направленности различных а н т е н н.

В и д ы а н т е н н

Рамка пли гониометр при двустороннем приеме ¹ (простая замкнутая антенна) ..

Гониометр с односторонним приемом ..

Два гониометра при dA«=7· ·

Два гониометра с искусственным фазированием.

Четыре гониометра.

Волновая антенна при длине, равной λ.

Устройство, состоящее из двух Г., в настоящее время находит применение в приемных центрах в Гельтове (Германия) и в Тоуин (Англия), а такзке в других приемных центрах, установленных Компанией Марко-ни и об-вом Телефункен, владеющим патентами Компании Маркони.

В заграничной литературе, гл.обр. французской, Г. часто называют такзке вообще все устройства, предназначенные для пеленгования по радио. У нас такое использование этого термина не принято.

Лит.: Г> а ж е н о в В. И. Направляемый радиоприем, «Радиотехник», Н.-Новгород, 1921, 13—II: Кеей К., Direction а. Position Finding by Wireless, «Wireless Press», L·., 1927; Green E., The Polar Curves ol Reception for Space Aerial Systems, «Experimental Wireless», L·., 1925, v. 2, 25; Es au A., Rahmen u. Goniometerteilungen, «Jahrbuch d. drahtlo-sen Telegraphie», B., 1927, B. 29; Esau A., liiclit-charakteristiken von Antennenkombinationen. ibidem. 1926, B. 27. П. Нунсенно.