đồ án công nghệ thông tin Khối khuếch đại tín hiệu sai lệch la bàn trong APK-10

Đặc tính hướng của anten khung: Định nghĩa: Đặc tính hướng là đường biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ tín hiệu anten với hướng sóng tới đài phát... Cấu tạo của anten tổng hợp Anten tổng

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỊNH HƯỚNG

1.1 Khỏi quỏt về định hướng

1.1.1 Lịch sử định hướng

Định hướng là một trong cỏc lĩnh vực được ứng dụng rộng rói trong hàng hải, hàng khụng, nú sử dụng cỏc tớnh chất của súng điện từ Nhiệm vụ cơ bản của định hướng là xỏc định hướng hay gúc kẹp giữa 1 phương chuẩn nào đú với hướng súng tới của đài phỏt dẫn đường Người phỏt minh ra bộ mụn này là nhà bỏc học người Nga Pụrop

Năm 1898 Pụrop làm thớ nghiệm: Trờn 1 tàu biển, ụng đặt một mỏy phỏt súng vụ tuyến điện Trờn 1 tàu khỏc ở cỏch xa 250m (trong điều kiện khụng nhỡn thấy tàu kia) ụng đặt một mỏy thu, anten của mỏy thu cú tớnh phương hướng Quay tàu cú mỏy thu theo cỏc hướng khỏc nhau, căn cứ vào sự thay đổi của tớn hiệu thu được ụng đó xỏc định được hướng đài phỏt

Năm 1912, Siliskin phỏt minh ra mỏy chỉ chuẩn làm cho tớnh năng của hệ thống càng ưu việt hơn, nú được ứng dụng rộng rói trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất

Từ năm 1927 đến nay, cỏc mỏy định hướng được cải tiến ngày càng hiện đại, từ dựng đốn điện tử đến bỏn dẫn, rồi vi mạch nh cỏc mỏy APK-5, APK-9, APK-10, APK-11

1.1.2 Cơ sở của định hướng, cấu tạo hệ thống

Định hướng vụ tuyến điện: dựa trờn nguyờn lý: sử dụng tớnh chất truyền thẳng với vận tốc khụng đổi trong một mụi trường đồng nhất của súng điện từ

Định hướng là xỏc định gúc kẹp giữa 1 phương chuẩn nào đú so với hướng súng tới của đài phỏt dẫn ddường

Hệ thống định hướng bao gồm 1 mỏy phỏt súng chuẩn đặt ở mặt đất (cỏc sõn bay) và một mỏy thu (đặt trờn mỏy bay) Gúc giữa hướng trục dọc mỏy bay và hướng súng tới gọi là gúc Kyp

Kyp Máy thu

Máy phát chuẩn

H ớng trục dọc máy bay

H ớng sóng tới đài phát

Để cho máy thu xác định được góc Kyp, máy phat sóng chuẩn phải phát 1 cánh sóng có tính phương hướng hoặc anten máy thu phải có tính phương hướng cao Thông thường để thuận lợi cho định hướng thì máy phát thường phát ra vô hướng và anten máy thu có tính phương hướng Nh thế thì máy bay ở mọi hướng đều có thể thu được và xác định được vị trí sân bay

1.2 Anten khung – Anten tổng hợp

1.2.1 Anten khung

Anten khung là thiết bị quan trọng trong định hướng, nó quyết định đến tính chất định hướng của đài Anten khung bao gồm các vòng dây quấn trên lõi pherit, dùng để thu nhận tín hiệu đài phát Sau đây ta xét anten khung có 1 vòng dây:

a Tín hiệu cảm ứng trên anten khung

Ta xét trong điều kiện sau:

Trong hệ trục tọa độ xyz tâm O của anten trùng với tâm của trục tọa độ Hướng sóng S nằm trên mặt phẳng nằm ngang xoz đi qua tâm O và lệch với ox 1góc là 

Giả sử sóng điện từ tại tâm O có giá trị:

e0 = E0sintE E0: cường độ điện trường

sint : độ biến thiên của điện trường Thì tín hiệu thu được trên anten sẽ là:

e = h E0sint

Sóng điện từ lan truyền từ cạnh AB qua tâm O sang cạnh CD nên tín hiệu thu được trên các cạnh AB và CD sẽ là:

EAB=h.E0sin(t + )

ECD=h.E0sin(t - ) Tín hiệu anten khung xác định theo công thức:

Ep = eAB - eCD

Ep = h.E0[sin(t + ) – sin(t - )]

= 2.h.E0sincost Nhận xét:

Từ biểu thức ep ta thấy: Thành phần biên độ tín hiệu ep biến thiên theo hàm

số góc lệch sin và tín hiệu biến thiên theo hàm cost tức là lệch pha so với tín hiệu trên mỗi cạnh (hay trên anten thẳng) 1 góc là 90 (tín hiệu trên mỗi cạnh biến thiên theo hàm số sint)

b Đặc tính hướng của anten khung:

Định nghĩa: Đặc tính hướng là đường biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ tín hiệu anten với hướng sóng tới đài phát

Biểu thức đặc tính hướng:

y b

h

O 

C

A

B

D

Z

X

ep

H

CD AB

d

O

 b/2

Căn cứ vào biểu thức tín hiệu: e ep=2.h.E0sincost

Ta đặt:E Epm= 2.h.E0cost

Lúc này:e ep= Epmsin (1) (1)

Đem chiếu anten khung lên mặt phẳng nằm ngang xOz, nhìn vào hình chiếu

ta có nhận xét:

Góc lệch pha  sinh ra do tín hiệu lan truyền một đoạn đường OH Ta biết rằng sóng điện từ lan truuyền 1 quãng đường bằng bước sóng thì góc lệch pha tương ứng bằng 2 nên góc  tương ứng sẽ là

 =

Từ tam giác vuông HOA ta có: OH= nên

Thay (2) vào (1) ta có:

Ep= Epm.sin = Epmsin với E víi Epm=2.h.E0

Do bước sóng  có độ dài rất lớn hơn kích thước b của anten (vì thường

công tác ở dải sóng trung) nên rất nhỏ, từ đó sin của góc rất nhỏ có thể

coi bằng chính góc đó, hay là:

Ep= Epm

Đặt E Epm=Epm  Ep= Epmcos

Cho  biến thiên từ 0  360 ta xác định được đặc tính hướng của anten khung có dạng hình số 8

90

180

270

0

Nhận xét: Tại các vị trí góc lệch  = 0 và  = 180 thì giá trị biên độ của tín hiệu anten khung là lớn nhất

Tại các vị trí góc lệch  = 90 và  = 270 thì giá trị biên độ của tín hiệu anten khung là bé nhất và bằng không

1.2.2 Anten tổng hợp

a Cấu tạo của anten tổng hợp

Anten tổng hợp là sự tổng hợp tín hiệu của 2 anten: 1 anten vô hướng có đặc tính hướng hình tròn và 1 anten khung có đặ tính hướng hình số 8

b Biểu thức biên độ tín hiệu của anten tổng hợp

Giả sử biên độ tín hiệu thu được trên anten khung và trên anten dây có công thức:

Ep=Epmcos

Ea=Eam

Hai tín hiệu này được đưa tới mạch tổng hợp để cộng với nhau theo sơ đồ mắc nối tiếp nên ta có thẻe biểu diễn trên dồ thị véctơ Thực tế góc lệch pha = 90 nhưng để tổng quát ta đặt góc  bất kỳ

Áp dụng công thức tính cạnh tam giác thường ta có:

= Lập tỷ số:

Đặt: F = F = ; A =

Nhận xét:



ET

Epmcos

Eam

Qua biểu thức (3) ta thấy đây là hàm số phụ thuộc vào tỷ số biên độ tín hiệu anten khung và anten thẳng, phụ thuộc góc lệch pha giữa 2 anten () và phụ thuộc vào góc lệch giữa hướng sóng tới với mặt phẳng anten khung ()

c Đặc tính của anten tổng hợp

Từ biểu thức xác định

F(A,,) =

Ta cố định A; những giá trị tuỳ ý (có thể được vì kết cấu mạch anten có thể cho phép chọn) Để đơn giản biểu thức ta chọn :

A =1;  = 0 và  = 180

+ Trường hợp A =1;  = 0

F =  (1 + cos)  ET =  (Eam + Eamcos)

Từ biểu thức ta có đặc tính như hình vẽ:

+ Trường hợp A=1;  = 180

F =  (1 - cos)  ET =  (Eam - Eamcos)

Nhận xét: Qua dặc tính hướng của anten tổng hợp ta thấy: để đặc tính hướng của anten tổng hợp có dạng hình trái tim thì yêu cầu tín hiệu anten khung bằng biên độ tín hiệu anten thẳng (A=1) và góc lệch pha giữa tín hiệu anten khung và anten thẳng trùng pha hoặc ngược pha nhau (  = 0 hoặc  = 180)

Eam

Lý thuyết anten đã chứng minh tín hiệu trên anten khung luôn lệch pha với tín hiệu trên anten thẳng 1 góc 90, nên muốn cho tín hiệu trên anten này trùng pha hoặc ngược pha 180 thì một trong 2 tín hiệu đó phải dịch pha đi 90 Đặc tính hướng của anten tổng hợp có thể nằm bên trái hay bên phải tuỳ thuộc vào góc lệch pha giữa 2 tín hiệu trên 2 anten là 0 hay 180 Do đó nếu thay đổi góc lệch này theo chu kỳ nào đó thì đặc tính sẽ lật trái, lật phải theo chu kỳ đó và tạo nên vùng cân bằng tín hiệu

Trong máy APK-10 ta sẽ thấy đặc tính hình trái tim bị lật trái lật phải theo chu kỳ dao động chuẩn 30 Hz

1.3 Các phương pháp định hướng - Nguyên lý tự động định hướng 1.3.1 Các phương pháp định hướng

a Phương pháp biến đổi cực đại

Phương pháp này cho anten thu (có hướng) quay quanh trục nào đó Góc lệch  được xác định tại thời điểm ứng với vị trí mà tín hiệu thu được trên anten là lớn nhất

Ưu điểm:

 Định hướng tương đối đơn giản

 Cù ly định hướng lớn

Nhược điểm:

 Độ chính xác định hướng kém do tại thời điểm xác định , sù biến đổi biên

độ tín hiệu nhỏ nên có góc chết 

 Độ chính xác phụ thuộc độ nhạy định hướng và đặc tính hướng của anten Nếu độ nhạy lớn anten có tính phương hướng cao  độ chính xác cao

Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong radar

b Phương pháp biên độ cực tiểu

Nguyên tắc chung của phương pháp này là sử dụng anten có đặc tính phương hướng hình số 8 và quay được Góc  được xác định tại thời điểm tín hiệu thu dược trên anten là nhỏ nhất

Ưu điểm:

x

x’





 Độ chính xác cao vì tại thời điểm xác định , tốc độ biến thiên biên độ lớn.

 Định hướng đơn giản vì chỉ dùng 1 anten khung

Nhược điểm:

 Cù ly làm việc ngắn vì tại thời điểm xác định , tín hiệu thu nhỏ nên bị ảnh hưởng của các nguồn nhiễu

 Vẫn còn góc chết  vì tại đó tỷ số tín hiệu/nhiễu nhỏ, không xác định được

 Có sai lệch 180

c Phương pháp so sánh

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng 2 anten có tính phương hướng giống nhau đặt lệch nhau 1 góc nào đó

Tín hiệu thu được trên 2 anten được đưa đến một mạh trừ để tạo ra một tín hiệu sai lệch ở mạch trừ bằng 0 Tín hiệu sai lệch phụ thuộc  Usl = f()

Ưu điểm:

 Độ nhạy và độ chính xác cao

 Cù ly định hướng lớn

 Loại trừ được góc chết 

Nhược điểm:

 Phức tạp, tốn kém

1.3.2 Nguyên lý tự động định hướng

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng anten tổng hợp có đặc tính hướng hình trái tim, có thể lật trái lật phải theo chu kỳ dao động chuẩn nào đó

Do sự lật đặc tính hướng mà tín hiệu thu bị điều chế bởi dao động chuẩn Sau khi tách sóng đường bao điều chế, nó được đưa đi so sánh pha với dao động chuẩn ra tín hiệu sai lệch và chỉ ra 

Ta xét 3 trường hợp sau:

Dao động chuẩn lật đặc tính hướng theo quy luật :

- Từ t0  t1 đặc tính hướng lật về bên trái

- Từ t1  t2 lật sang phải

- Từ t2  t3 lật sang trái

- Từ t3  t4 lật sang phải

x

x’

Tuỳ theo hướng sóng tớinằm bên trái, đúng hướng hay bên phải mà ta có dạng tín hiệu thu được Sau tách sóng ta có tín hiệu sai lệch, tín hiệu này được so snáh với dao động chuẩn và cuối cùng chỉ thị trên bộ phận chỉ hướng

Kết luận: Phương pháp này có bộ phận so sánh pha của doa động chuẩn với pha của đường bao tín hiệu điều chế sai lệch Căn cứ vào sự sai lệch về pha và độ sâu điều biên mà tạo ra tín hiệu để chỉ thị góc lêch 

Ưu điểm của phương pháp này là khắc phục đuợc các nhược điểm của phương pháp trên Nghiên cứu máy APK-10 ta thấy rõ hơn nguyên lý hoạt động của phương pháp này

A

C B



3



2

Chương 2 CÔNG DỤNG, TÍNH NĂNG, SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA APK

2.1 Công dụng tính năng kỹ chiến thuật của APK-10.

2.1.1 Công dụng, đặc điểm cấu tạo

a Công dông

Đài APK-10 được lắp rên máy bay MIG-21 các loại dùng để xác định góc kẹp giữa hướng máy bay đang bay với hướng đài chuẩn Nhờ đó mà giải quyết được một số nhiệm vụ:

 Dẫn đường cho máy bay, xác định hướng bay

 Dẫn máy bay hạ cánh mò theo hệ thống OC

 Xác định cự ly giữa máy bay với đài phát dẫn đường (Trong APK-10 cải tiến)

 Trong trường hợp cần thiết có thể thu và nghe tín hiệu trong dải sóng trung (120  1340 KHz)

b Đặc điểm cấu tạo:

 Việc điều hướng APK-10 hoàn toàn bằng điện

 Có 9 tần số chọn trước, có thể điều chỉnh sẵn khi cần sử dụng chỉ cần Ên 1 trong 9 nót đặt sẵn

 Anten vô hướng có dạng khí động học

 Trong máy có sử dụng một số Tranzisto, bố trí các khối riêng biệt nên tuổi thọ cao, tiện cho kiểm tra thay thế

c Các chế độ công tác của APK-10

 Chế độ Anten

Công tác nh mét máy thu thông thường ở dải sóng trung qua 2 lần đổi tần Máy chỉ sử dụng anten vô hướng

 Chế độ tự động định hướng KOMAC

Là chế độ cơ bản của APK-10 Ở chế độ này khi máy APK-10 được điều hưởng với f đài phát nào đó thì kim đồng hồ chỉ hướng luôn luôn chỉ góc kyp và

trong tai nghe ta còng nghe được tín hiệu của đài phát Chế độ này sử dụng cả 2 anten

 Chế độ định hướng bằng tay PMKA

Chế độ này sử dụng anten khung và dùng đặc tính hướng của anten khung

để định hướng Do đặc tính hướng của anten khung nên có sai lệch 180

2.1.2 Tính năng kỹ chiến thuật của đài.

 Cù ly công tác:

Khi mặt đất sử dụng đài phát AP – 35M thì:

D = 250  350 Km (còn phụ thuộc độ cao bay)

 Khoảng tần số công tác: f = 120  1340 KHz được chia làm 8 khoảng sóng khoảng 1:120 120  280 KHz

280  440 KHz

420  580 KHz

580  740 KHz

720  880 KHz

880  1040 KHz

1020  1180 KHz

1180  1340 KHz

Ta có thể điều chỉnh sẵn với 9 tần số thuộc bất kỳ băng sóng nào

 Độ nhạy máy thu ở chế độ anten: Khi lắp tai nghe TA – 56M, tạp âm <10v,

Ura>15v thì yêu cầu tín hiệu vào 12  8 V

 Độ nhạy định hướng:

Khi APK-10 công tác ở chế KOM, kim chỉ góc kyp sai lệch không quá  10, dao động không quá 3 thì độ nhạy định hướng 12  4 V/m

 Độ nhạy định vị:

Khi APK-10 công tác ở chế độ KOM, kim chỉ kyp sai lệch không quá  3, dao động không quá  2 thì độ nhạy định vị là 250  130 mV/m

 Tốc độ quay anten khung

Khi cường độ điện trường E = 1000 mV/m, tốc độ quay là 30  60/s

 Độ rung của kim chỉ hướng khi ở điểm chỉ hướng đài là <  1

 Thời gian chuyển tần số khi chuyển từ nót này sang nót khác là  75

 Nguồn cung cấp cho mỏy:

Một chiều: 27V , dũng tiờu hao  1,5 A

Xoay chiều: 115 V – 400 Hz dũng tiờu hao  1,5 A

2.2 Nguyờn lý làm việc theo sơ đồ chức năng.

2.2.1 Làm việc trong chế độ

KOMAC

Ta cú dạng hỡnh súng ở cửa ra cỏc

khối như hỡnh vẽ:

a Anten khung

Dựng để thu tớn hiệu súng điện từ

theo đặc tớnh hướng hỡnh số 8 Khi

hướng súng tới đài phỏt vuụng gúc với

mặt phẳng anten khung thỡ tớn hiệu thu là

bộ nhất Khi hướng súng tới song song

Biến điện

400 Hz

KĐ tín hiệu la bàn

So sánh pha

Sen sin phát

Sen sin thu chuẩn 30 Hz Dao động

KĐ

công suất

Mô tơ

M-81

KĐ

âm tần

Đổi pha

Tổng hợp

AT DÂY

KĐ dịch pha 90

7 3

3 5

KYP

Sơ đồ chức năng APK - 10

mặt phẳng anten khung thì tín hiệu thu cực đại Tín hiệu thu được trên anten khung được đưa đến mạch khuếh đại dịch pha 90 ( Hình sóng 1)

b Mạch khuếch đại dịch pha 90.

Nhận tín hiệu từ anten khung tiến hành khuếch đại Do phụ tải là cảm kháng nên tín hiệu qua mạch điện được dịch pha 90 Việc dịch pha 90 rất cần thiết để đặc tính hướng tổng hợp trở thành hình trái tim Sau khuếch đại dịch pha tín hiệu được đưa qua mạch đổi pha cân bằng (Hình sóng 2)

c Mạch đổi pha cân bằng

Nhận thành phần dao động chuẩn 30Hz để khống chế pha của tín hiệu cao tần anten khung từ mạch khuếch đại dịch pha 90đưa tới Tín hiệu cao tần anten khung khi qua mạc đổi pha can bằng có pha thay đổi theo từng bán chu kỳ dao động chuẩn Kết quả tín hiệu anten khung luôn đồng pha và ngược pha với tín hiệu anten vô hướng theo từng bán chu kỳ dao động chuẩn, do đó làm đặc tính hình trái tim luôn lật trái, lật phải theo dao động chuẩn (Hình sóng 4)

d Mạch tổng hợp tín hiệu

Dùng để tổng hợp 2 tín hiệu của anten khung từ mạch đổi pha cân bằng đưa sang và của anten vô hướng từ mạch khuếch đại anten đưa tới Hai tín hiệu này có cùng tần số nhưng ngược pha thì có lúc trùng nhau, lúc ngược nhau trong từng bán chu kỳ dao động chuẩn Nếu nh có sự lệch hướng của sóng tới đài phát thì tín hiệu

ra của mạch tổng hợp được điều biên bởi thành phần sai lệch la bàn (Hình sóng 6)

e Máy thu

Máy thu là sự tổng hợp các mạch khuếch đại cao tần, trộn tần 1, khuếch đại trung tần 1, trộn tần 2, khuếch đại trung tần 2 và tách sóng Máy thu APK-10 có độ nhạy và độ chọn lọc cao, sau tách sóng máy thu đưa ra 2 thành phần Thành phần

âm tần của âm thanh đưa qua mạch khuếch đại âm tần tới tai nghe Thành phần la bàn đưa qua mạch khuếch đại tín hiệu sai lệch la bàn.(Hình sóng 7)

f Mạch khuếch đại tín hiệu sai lệch la bàn:

Nhận thành phần sai lệch la bàn từ mạch tách sóng tín hiệu của máy thu đưa tới khi có sự lệch pha của sóng tới với hướng cân bằng và khuếch đại thành phần sai lệch đó Thành phần sai lệc la bàn ở đây là thành phần xoay chiều 30 Hz có

biên độ phụ thuộc mức độ lệch của anten khung và pha phụ thuộc vào hướng lệch Mạch khuếch đại la bàn có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sai lệch la bàn và loại trừ các thành phần nhiễu

g Mạch so sánh pha

Nhận thành phần sai lệch la bàn và thành phần dao động chuẩn 30 Hz để so sánh pha với nhau Kết quả việc so sánh là đưa ra thành phần la bàn 1 chiều có giá trị dương hay âm phụ thuộc vào sự lệch hướng của sóng tới đài phát về bên trái hay bên phải Như vậy mạch so sánh pha đã loại trừ được sự phụ thuộc của pha thành phần dao động chuẩn vào pha của thành phần sia lệch la bàn (Hình sóng 8)

h Mạch biến điện

Từ thành phần la bàn 1 chiều do mạch so sánh pha tạo ra biến thành diện xoay chiều 400 Hz có pha phụ thuộc vào chiều của thành phần la bàn 1 chiều, Tức

là phụ thuộc vào sự lệch hướng về bên phải hay bên trái của hướng sóng tới đài phát Mạch biến điện từ 1 chiều sang xoay chiều 400 Hz để thuận lợi cho các mạch sau

i Mạch khuếch đại công suất 400 Hz

Có nhiệm vụ khuếch đại điện 400 Hz tới công suất đủ lớn để quay mô tơ M8-1 Khi mô tơ nhận được điện áp nó sẽ quay kéo theo anten khung quay Khi về đến vị trí cân bằng thì sai lệch la bàn bằng 0, mô tơ dừng quay Góc quay của anten khung qua hệ thống xenxin được chỉ thị trên đồng hồ hướng (H)

2.2.2 Nguyên lý làm việc trong chế độ anten

Khi công tắc bật về vị trí anten thì cửa vào mạch anten khung bị cắt ra, lúc này APK-10 công tác với anten vô hướng, do đó nó làm việc nh mét máy thu đổi tần trong dải sóng trung

Vì không có sự tổng hợp tín hiệu nên sau tách sóng không có tín hiệu sai lệch la bàn mà chỉ có thành phần âm tần của âm thanh Sau khuếch đại âm tần tín hiệu được đưa ra tai nghe

2.2.3 Làm việc trong chế độ PMKA:

Khi công tác chế độ bật về PMKA thì anten vô hướng bị ngắt ra và mạch đổi pha cân bằng ngắt thành phần dao dộng chuẩn Trong trường hợp này mạch đổi