Un radiogoniómetro Bellini-Tosi ( B – T o BTDF ) es un tipo de radiogoniómetro (RDF), que determina la dirección o el rumbo de un transmisor de radio. Los sistemas RDF anteriores utilizaban antenas de bucle giratorio muy grandes , que el sistema B-T reemplazó con dos antenas fijas y un pequeño bucle giratorio, conocido como radiogoniómetro . Esto hizo que el RDF fuera mucho más práctico, especialmente en vehículos grandes como barcos o cuando se utilizan longitudes de onda muy largas que exigen antenas grandes.
La BTDF fue inventada por un par de oficiales italianos a principios del siglo XX y, a veces, se la conoce como Marconi-Bellini-Tosi después de que unieron fuerzas con la Compañía Marconi en 1912. La BTDF fue la forma más frecuente de radiogoniometría naval desde la década de 1920 hasta hasta bien entrada la década de 1980, y se utilizó como parte importante de los primeros sistemas de navegación aérea de larga distancia desde la década de 1930 hasta después de la Segunda Guerra Mundial . Los sistemas BTDF también se utilizaron ampliamente para la recopilación de inteligencia de señales militares .
Durante la guerra, nuevas técnicas como el huff-duff comenzaron a reemplazar a los radiogoniómetros en la función de recopilación de inteligencia, reduciendo el tiempo necesario para tomar una decisión precisa de minutos a segundos. La capacidad de procesar señales de radio de forma económica mediante microcontroladores permitió que los radiogoniómetros pseudo-Doppler asumieran la mayoría de las funciones restantes de los radiogoniómetros a partir de los años 1980. A pesar de tener poco uso hoy en día, las antenas originales de los sistemas BTDF todavía se pueden ver en muchos barcos y embarcaciones.
Los primeros experimentos en RDF se llevaron a cabo en 1888 cuando Heinrich Hertz descubrió la direccionalidad de un bucle abierto de cable utilizado como antena. Se dio cuenta de que la chispa generada en el espacio abierto entre los extremos del bucle era mucho más fuerte cuando el bucle estaba al final del transmisor, y desaparecía por completo cuando estaba alineado de frente al transmisor. [1]
A principios del siglo XX, muchos experimentadores buscaban formas de utilizar este concepto para localizar la posición de un transmisor. Los primeros sistemas de radio generalmente utilizaban señales de onda larga o media . La onda larga, en particular, tenía buenas características de transmisión a larga distancia debido a su interacción limitada con el suelo y, por lo tanto, proporcionaba una excelente propagación de la onda terrestre en la ruta del gran círculo que apuntaba directamente al transmisor. Los métodos para realizar RDF en señales de onda larga fueron un área importante de investigación durante los años 1900 y 1910. [2] [3] [un]
Las antenas generalmente son sensibles a las señales solo cuando tienen una longitud que es una porción significativa de la longitud de onda, o mayor. Un ejemplo común es el dipolo de media onda . Para el uso de onda larga, esto resultó en antenas de bucle de decenas de pies de lado, a menudo con más de un bucle conectado para mejorar la señal. Esto presentó un problema importante a la hora de disponer la rotación de la antena. La Armada estadounidense superó este problema, hasta cierto punto, montando largas antenas en los barcos y navegando en círculos. [4]
La empresa Marconi desarrolló una solución a este problema en 1905. Consistía en una serie de largos alambres o varillas horizontales dispuestos para apuntar hacia afuera desde un punto central común. Un interruptor móvil podría conectar pares opuestos de estos cables para formar un dipolo y, al girar el interruptor, el operador podría buscar la señal más fuerte. [5] [6] Todos estos sistemas eran difíciles de manejar y poco prácticos para muchos usos. [7]
Durante experimentos en 1907, [8] [b] Ettore Bellini y Alessandro Tosi notaron que podían hacer que la señal recibida se volviera a irradiar formando un bucle con múltiples vueltas de cable. Utilizando dos antenas de cuadro dispuestas en ángulo recto y dos juegos de estas pequeñas bobinas de alambre dispuestas de la misma manera, se recrearon las propiedades direccionales de la señal de radio original. La radiogoniometría podría entonces llevarse a cabo con una antena de cuadro convencional colocada en el centro de estos dos estatores (o bobinas de campo ); el bucle giratorio se conocía como rotor (o bobina sensora ). [9] [5]
Como las bobinas de campo estaban conectadas eléctricamente a las antenas, podían colocarse en cualquier lugar y su tamaño era independiente de la longitud de onda. Esto significó que ahora la RDF se podía realizar con facilidad en longitudes de onda más largas, utilizando antenas de cualquier tamaño. Para uso de onda larga, las dos antenas cruzadas podrían construirse fácilmente pasando cuatro cables desde un solo mástil hasta el suelo para formar formas triangulares. [4] [10] Cuando se utiliza con longitudes de onda más cortas, el sistema de dos antenas de bucle cruzado demostró ser más robusto mecánicamente que una sola antena giratoria. Tenían la ventaja añadida de que las antenas podían colocarse casi en cualquier lugar; Los sistemas anteriores a menudo incluían algún tipo de operación remota a través de un enlace mecánico, pero esto limitaba la ubicación de la antena o la sala del receptor. [4]
La pareja vendió las patentes a Marconi Company en febrero de 1912 y Bellini se unió a la empresa para continuar el desarrollo. [5] A esto le siguieron casi inmediatamente implementaciones de prueba. Sin embargo, la señal total enviada de un extremo a otro era pequeña y el sistema no amplificado [10] solo podía usarse con señales potentes. Los primeros experimentos realizados a bordo del Eskimo y del Royal George , así como del RMS Mauretania , tuvieron éxito, pero el alcance se limitó a unas 15 millas (24 km). En pruebas en el USS Wyoming , la Marina de los EE. UU. descubrió que el propio magnetismo del barco superó la señal producida por las bobinas de detección, produciendo una salida que sugería que el transmisor estaba siempre frente al barco. [4]
El sistema B-T se introdujo casi al mismo tiempo que los primeros triodos , y la asociación con Marconi tuvo lugar el mismo año en que se notó por primera vez la capacidad del triodo para amplificar señales. En 1920, el uso de amplificadores en la radio estaba generalizado. [11]
Los amplificadores triodo permitían detectar señales débiles a mayor distancia.
Durante la década de 1910 y principios de la de 1920, varios investigadores descubrieron que señales de longitud de onda más corta se reflejaban en lo que más tarde se conocería como la ionosfera . Esto permitió que la señal saltara distancias muy largas al reflejarse varias veces en el suelo y la ionosfera. Este alcance se amplió enormemente, lo que permitió utilizar transmisores de menor potencia para comunicaciones de muy largo alcance. En 1923, varios radioaficionados (aficionados) demostraron un excelente rendimiento a 100 my comenzaron las comunicaciones transatlánticas de rutina al año siguiente. Esto llevó a que se definieran una serie de nuevas bandas de frecuencia en esta región de onda corta , de tan solo 10 m (que es muy larga para los estándares actuales). En 1930, estas frecuencias se utilizaban ampliamente para muchos propósitos. [12]
Las señales de onda corta presentaron un problema para RDF porque la señal de onda ionosférica se puede recibir simultáneamente desde varios saltos diferentes, haciendo que parezca como si el transmisor estuviera en varios rumbos diferentes. La solución ya había sido estudiada, aunque no para solucionar este problema concreto. En 1917, Frank Adcock intentaba resolver el problema de fabricar antenas grandes adecuadas para su uso con el radiogoniómetro incluso en las longitudes de onda más largas. Desarrolló un sistema utilizando cuatro mástiles muy altos, conectados eléctricamente para formar dos bucles virtuales. Esto eliminó la necesidad de conectar las partes superiores de las antenas, que de otro modo serían difíciles de conectar entre sí para antenas muy grandes. Sin embargo, más tarde se descubrió que las conexiones subterráneas entre las antenas las protegían de las ondas celestes, permitiendo que sólo la onda terrestre de línea directa alcanzara el goniómetro.
Las bandas de longitud de onda más cortas son particularmente útiles para uso en aviación. Una antena que transmitiera una señal útil en frecuencias de onda larga sería más grande que la de un avión típico (aunque los Zepelines no tuvieron problemas) [10] e incluso frecuencias más altas en las bandas de alta frecuencia (HF) y muy alta frecuencia (VHF) eran muy deseables.
Las limitaciones de estas frecuencias para las comunicaciones con línea de visión durante el día no eran un problema grave para el uso aire-tierra, donde el horizonte local podía estar a cientos de millas de distancia para un avión que volaba incluso a altitudes moderadas. Un buen ejemplo de las ventajas de las longitudes de onda más cortas se puede ver en el Supermarine Spitfire , que comenzó la Segunda Guerra Mundial con una radio HF que transmitía desde una antena de cable que se extendía desde la cabina hasta la parte superior del estabilizador vertical. Esto proporcionó un alcance aire-aire promedio de 5 millas (8,0 km) en condiciones ideales. [13] Estos primeros equipos TR9D fueron reemplazados por un equipo VHF que utilizaba una pequeña antena de látigo que ofrecía alcances del orden de 50 millas (80 km) y cientos de millas en el modo aire-tierra.
En la década de 1930, el uso de BTDF para la navegación de aviones de largo alcance era común. Un buen ejemplo de un sistema de este tipo se instaló por primera vez en Australia en 1934 como parte de la carrera aérea MacRobertson de 11.300 millas (18.200 km) . Se instalaron dos estaciones equipadas con aparatos Marconi BTDF y antenas Adcock en Charleville y Melbourne . El éxito de este sistema llevó a que se añadieran estaciones adicionales para formar una red de 17 estaciones DF para navegación de larga distancia. En 1945, estos habían sido reemplazados en gran medida por sistemas RDF en los aviones, en lugar de en tierra. [14]
El sistema B-T también fue ampliamente utilizado por las fuerzas militares para determinar la ubicación de las emisoras de radio enemigas. Esto requirió algo de tiempo para realizarlo, a menudo del orden de varios minutos para lograr una buena solución . Esto dio lugar a diversos sistemas para acelerar la transmisión de mensajes para dificultar este tipo de operaciones. Un ejemplo fue el sistema de códigos Kurzsignale de la Marina alemana , que condensaba mensajes en códigos cortos, y el sistema Kurier de codificación en ráfagas totalmente automatizado que enviaba un Kurzsignale en sólo medio segundo.
El sistema manual Bellini-Tosi siguió siendo casi universal durante la Segunda Guerra Mundial, excepto en el servicio en el Reino Unido y Estados Unidos.
En Estados Unidos se utilizó ampliamente un sistema desarrollado originalmente por los laboratorios franceses ITT . El equipo ITT huyó de Francia ante la invasión alemana y destruyó su equipo antes de partir. Pudieron duplicar rápidamente sus esfuerzos una vez que llegaron a los EE. UU. Este sistema utilizaba un motor para hacer girar rápidamente un radiogoniómetro, además de proporcionar una entrada a la electrónica que hacía girar las entradas X e Y de un tubo de rayos catódicos (CRT). Esto provocó que la señal trazara un patrón en la pantalla que podría usarse para determinar la dirección de la transmisión casi instantáneamente.
En el Reino Unido, el sistema de radiogoniometría de alta frecuencia (HFDF o " huff-duff ") había desplazado en gran medida al BTDF alrededor de 1943. El HFDF usaba amplificadores balanceados que alimentaban directamente a un CRT para mostrar instantáneamente la dirección directamente desde la señal entrante, lo que requería sin movimiento mecánico de ningún tipo. Esto permitió capturar y localizar incluso las señales más fugaces. La pantalla, a pesar de funcionar con principios completamente diferentes, era muy similar al sistema mecánico estadounidense. El HFDF era un secreto celosamente guardado y no se hizo muy conocido hasta después del final de la guerra.
La sustitución de los sistemas BTDF terrestres en la aviación se debió principalmente a dos factores: uno fue el paso a longitudes de onda cada vez más cortas, lo que acortó tanto las antenas necesarias que el RDF se podía realizar en una pequeña antena receptora de sólo unos pocos centímetros. en longitud. Dado que la técnica más antigua de bucle giratorio era práctica en estas frecuencias, la mayoría de los aviones utilizaban una. El segundo avance fue la introducción del buscador de dirección automático (ADF), que automatizó completamente el procedimiento RDF. Una vez que un sistema ADF se sintonizaba con una estación, ya sea una baliza de vía aérea o una estación de radio AM , movía continuamente un puntero para indicar el rumbo relativo sin mayor participación del operador.
B – T y bucles giratorios de varios tipos continuaron siendo utilizados por los civiles en la era de la posguerra. Se continuaron realizando mejoras en ambos sistemas durante este período, especialmente la introducción de solenoides en lugar de bucles convencionales en algunas funciones. Sin embargo, la introducción del radiogoniómetro Doppler , y especialmente la electrónica de bajo coste para implementarlo, provocó la desaparición de los sistemas de bucle tradicionales a mediados de los años 1990. Los sistemas Doppler utilizan antenas fijas, como BTDF, pero manejan la radiogoniometría únicamente mediante el procesamiento de señales.
Las señales de radio consisten en campos eléctricos y magnéticos en constante variación dispuestos en ángulo recto. Cuando el campo magnético pasa por un objeto metálico, hará que los electrones del metal comiencen a moverse sincrónicamente con la señal. Según la ley de inducción de Faraday , este efecto se maximiza cuando el objeto y el campo están en ángulo recto entre sí (alternativamente, se puede pensar que el campo eléctrico está alineado con el objeto). Aunque las señales de radio se propagan en cualquier orientación, para las señales consideradas aquí la propagación se ve fuertemente atenuada si el campo magnético no es perpendicular al suelo. Por este motivo, las antenas de radio, tanto emisoras como receptoras, normalmente son verticales. [15] Se dice que estas señales están polarizadas verticalmente. [8]
Cuando dos o más antenas se colocan juntas, las diferencias en la posición de las antenas hacen que la señal de radio recibida se vea como diferencias de fase . Por ejemplo, si las dos antenas se colocan a ½ longitud de onda de distancia, una señal que se acerque a lo largo de la línea entre ellas tendrá la fase opuesta en las dos antenas, lo que provocará que se induzcan voltajes opuestos. Si la señal se acerca perpendicular a la línea, la fase es la misma y los voltajes serán iguales. [16] [17]
Si las partes superiores de las antenas están conectadas entre sí, el voltaje neto será cero cuando la antena esté de cara a la señal, porque los voltajes en ambas secciones verticales se oponen entre sí. Cuando se gira la antena, la ligera diferencia de fase y, por lo tanto, los voltajes inducidos, dejarán un voltaje neto en el circuito y la corriente fluirá. Esto se maximiza cuando las antenas están paralelas al transmisor. Si se mide la salida en todos los ángulos a medida que las antenas giran con respecto a la señal, se produce un patrón de recepción en forma de ocho, con un punto nulo agudo y un área extendida de señal máxima. [18] [19]
La antena de cuadro utiliza este principio de forma cómoda y mecánicamente robusta. Para señales polarizadas verticalmente, la recepción en la parte superior e inferior del bucle es muy baja, [c] por lo que tiene poca contribución o efecto en la salida. Así, aunque la antena es un bucle completo, sólo las secciones verticales tienen acción sobre la recepción y actúan como dos antenas separadas. Para medir el rumbo de un transmisor, el bucle se hace girar alrededor de su eje vertical hasta que la señal cae a cero, o nulos , que es una señal mucho más nítida que el máximo. [18] [2]
El sistema Bellini-Tosi alimenta el voltaje de salida de una antena de bucle o Adcock a una pequeña bobina de alambre, la bobina de campo . El voltaje variable inducido por la señal recibida hace que el cable vuelva a irradiar la misma señal. [20] Aunque la bobina suele ser mucho más pequeña que la longitud de onda y, por lo tanto, tiene un factor de antena pequeño , el uso de muchos bucles de cable en la bobina mejora la intensidad general de la señal. La energía total radiada por la bobina es menor que la que se recibe en la antena, pero la transmite a un área física mucho más pequeña, por lo que el flujo puede ser mucho mayor que la señal original.
Se utilizan dos antenas y dos bobinas de campo, ambas dispuestas en ángulo recto entre sí. El área entre las dos bobinas de campo se llena con un análogo de la señal original de las antenas. La bobina sensora , otra antena de cuadro, se coloca en el área entre las bobinas de campo. Girar la bobina sensora en las bobinas de campo tiene el mismo resultado que girar toda la antena de cuadro en el campo original. [21]
Incluso una ligera desalineación de los dos provoca un sesgo en la salida, un falso nulo . [22] Dado que esto se solucionó como parte de la construcción del radiogoniómetro, fue bastante sencillo corregirlo simplemente moviendo el puntero. Comúnmente se usaban anillos colectores o tuercas. [23]
De hecho, el campo resultante en las bobinas no es un análogo exacto del original. Lo sería si las bobinas de campo constaran de un solo bucle de cable, pero como en realidad constan de múltiples devanados, se trata, en efecto, de pequeños solenoides . El campo resultante es entonces más fuerte en los bordes de los devanados y cae (idealmente) a cero en el centro. [24]
Esto hace que la señal de salida suba y baje alrededor del área de las bobinas. Como el sistema B-T se basa en la comparación de volúmenes de señal, esto da como resultado una salida no uniforme, que sube y baja cada 45 grados, ocho veces alrededor de un circuito completo. Esto se conocía como error de acoplamiento o error octal . [24]
La solución a este problema es enrollar la bobina sensora en dos pares, cada uno desplazado de cada lado de la línea central 22,5 grados. Esto hace que el error en una bobina sea opuesto al de la otra, una condición que sigue siendo cierta en todo el círculo. La corrección nunca es perfecta, hubo que experimentar con los ángulos precisos en cada radiogoniómetro. [24]
Para que funcione correctamente, es importante que ambos circuitos de antena estén cuidadosamente equilibrados. Para empezar, las antenas tienen que ser idénticas, con propiedades eléctricas idénticas en el cableado y las longitudes de los cables ajustadas para que sean iguales. [21] Dado que las antenas tienen inductancia y capacitancia debido a su diseño mecánico, generalmente se insertan inductores y capacitores adicionales en el circuito para que ambas antenas tengan los mismos totales para ambas. [25] Una técnica común para equilibrar dinámicamente el circuito era alimentar una señal de zumbador externo a las entradas de la antena y luego sintonizar los condensadores hasta que la señal en ambos fuera la misma. [25]
Incluso cambios menores en el clima, el diseño físico o incluso golpear el chasis que contiene los capacitores sintonizables pueden hacer que la sintonización varíe. Por esta razón se utilizó una variedad de sistemas para disminuir la sensibilidad del radiogoniómetro a la mala sintonización. El principal de ellos fue el concepto de antena aperiódica, que describía la disposición mecánica del cableado interno del radiogoniómetro. Al enrollar el cableado de la bobina detectora alrededor de un cilindro vertical y cablear las bobinas de campo en una disposición similar lo más cerca posible de la bobina detectora, todo el circuito se acopló capacitivamente. Luego se podría utilizar un único condensador sintonizable en la salida de la bobina de detección para sintonizar todo el sistema. [26]
Una desventaja de cualquier sistema de radiogoniometría que utilice antenas de cuadro es que la antena es igualmente sensible tanto en la parte delantera como en la trasera, por lo que siempre hay una ambigüedad de 180 grados en las mediciones: el transmisor puede estar a ambos lados de la antena. Para solucionar este problema, muchos sistemas DF agregaron una antena adicional, la antena detectora (no relacionada con la bobina detectora). [27]
Una antena detectora normalmente consiste en una única antena vertical colocada a cierta distancia de los bucles cruzados, en línea con uno de los dos bucles, a una distancia aproximadamente igual a la distancia entre las dos porciones verticales del bucle. La salida de la antena sensora se mezcla con el bucle con el que está en línea, a través de un interruptor que permite encenderla o apagarla. Cuando se enciende, produce un voltaje que suprime la salida de la sección trasera del bucle, reforzando la sección delantera. El patrón de recepción resultante se modifica de su figura de 8 original a un cardioide. [28]
También es posible simular la antena detectora extrayendo una alimentación del bucle al que habría estado asociada. Esto normalmente se logra colocando una derivación central en el inductor de sintonización y luego alimentando esa señal al circuito como si fuera de otra antena. Dado que el grifo central hace que la señal de ambas secciones verticales se equilibre, crea una señal similar a la de un solo mástil vertical. [29] Cuando se utiliza con devanados aperiódicos, el circuito de detección debe conectarse al lado del receptor, junto con el condensador de sintonización. [30]
Las cualidades direccionales del radiogoniómetro funcionan en ambas direcciones; se puede utilizar para determinar la dirección de una señal entrante o cambiar la dirección de una transmisión. Durante los primeros experimentos, esta capacidad se utilizó para producir una señal de radio que barría el cielo como el haz de un faro , permitiendo a los receptores de radio convencionales determinar su ubicación cronometrando el paso de la señal. Una solución típica era transmitir una señal de inicio específica, a menudo código Morse , para iniciar el barrido, y luego barrer lentamente una señal constante. El operador cronometró desde el final de la señal de inicio hasta el máximo en el tono continuo y luego lo dividió por la velocidad de rotación para determinar el ángulo. [10]
La ventaja del sistema B-T en términos de simplicidad mecánica era generalmente difícil de utilizar en esta función debido a la normalmente pequeña cantidad de energía que podía sintonizar. También se desarrollaron varios sistemas competidores, incluidas antenas omnidireccionales con reflectores de malla de alambre motorizados, así como un sistema Telefunken que tenía múltiples antenas dipolo conmutadas periódicamente por un gran distribuidor motorizado. [31] Al final, ninguno de estos sistemas resultó muy popular, y el éxito de los sistemas B-T y los pequeños bucles móviles adecuados para frecuencias más altas utilizadas para las comunicaciones de aeronaves permitieron que los sistemas DF se llevaran en los vehículos.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: ubicación ( enlace ) Mantenimiento CS1: ubicación falta editor ( enlace )