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 rotatorio muy grandes , que el sistema B–T reemplazó por dos antenas fijas y un pequeño bucle rotatorio, 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 requieren antenas grandes.
El BTDF fue inventado por un par de oficiales italianos a principios del siglo XX y, a veces, se lo conoce como Marconi-Bellini-Tosi después de que unieron fuerzas con la Compañía Marconi en 1912. El BTDF fue la forma más frecuente de radiogoniometría naval desde la década de 1920 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 información, reduciendo el tiempo necesario para tomar una posición precisa de minutos a segundos. La capacidad de procesar de forma económica las señales de radio mediante microcontroladores permitió que los radiogoniómetros pseudo-doppler asumieran la mayoría de las funciones restantes del radiogoniómetro a partir de la década de 1980. A pesar de que hoy en día se utilizan poco, 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 alambre utilizado como antena. Observó que la chispa generada en el espacio abierto entre los extremos del bucle era mucho más fuerte cuando el bucle estaba alineado de frente al transmisor y desaparecía por completo cuando estaba alineado de frente al transmisor. [1]
A principios del siglo XX, muchos investigadores 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 de onda media . Las ondas largas, en particular, tenían buenas características de transmisión a larga distancia debido a su interacción limitada con el suelo y, por lo tanto, proporcionaban una excelente propagación de ondas terrestres en ruta de círculo máximo que apuntaban 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] [a]
Las antenas son generalmente sensibles a las señales sólo 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 en ondas largas, esto dio como resultado antenas de bucle de decenas de pies de lado, a menudo con más de un bucle conectado entre sí para mejorar la señal. Esto presentó un problema significativo a la hora de organizar la rotación de la antena. La Marina de los EE. UU. superó este problema, hasta cierto punto, montando antenas largas en los barcos y navegando en círculos. [4]
En 1905, la empresa Marconi desarrolló una solución a este problema: consistía en una serie de cables o varillas horizontales largos dispuestos de forma que apuntaran hacia afuera desde un punto central común. Un interruptor móvil podía conectar pares opuestos de estos cables para formar un dipolo y, al girar el interruptor, el operador podía buscar la señal más fuerte. [5] [6] Todos estos sistemas eran difíciles de manejar y poco prácticos para muchos usos. [7]
Durante los experimentos de 1907, [8] [b] Ettore Bellini y Alessandro Tosi observaron que podían hacer que la señal recibida se re-irradiara formando un bucle con múltiples vueltas de alambre. Utilizando dos antenas de bucle dispuestas en ángulos rectos 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 búsqueda de dirección se pudo entonces realizar con una antena de bucle 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 significaba que ahora la radiofrecuencia de campo podía realizarse con facilidad en las longitudes de onda más largas, utilizando antenas de cualquier tamaño. Para el uso en ondas largas, las dos antenas cruzadas podían construirse fácilmente tendiendo cuatro cables desde un único mástil hasta el suelo para formar formas triangulares. [4] [10] Cuando se utilizaba con longitudes de onda más cortas, el sistema de dos antenas de bucle cruzadas resultó ser más robusto mecánicamente que una única antena giratoria. Tenían la ventaja añadida de que las antenas podían colocarse prácticamente 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 de la sala del receptor. [4]
La pareja vendió las patentes a la Compañía Marconi en febrero de 1912, y Bellini se unió a la compañía para continuar con el desarrollo. [5] Esto fue seguido casi inmediatamente con despliegues de prueba. Sin embargo, la señal total enviada de extremo a extremo era minúscula, y el sistema no amplificado [10] solo podía usarse con señales potentes. Los primeros experimentos realizados a bordo del Eskimo y el Royal George , así como del RMS Mauretania , tuvieron éxito, pero el alcance se limitó a aproximadamente 15 millas (24 km). En las pruebas en el USS Wyoming , la Armada de los EE. UU. descubrió que el propio magnetismo del barco abrumaba la señal producida por las bobinas de detección, produciendo una salida que sugería que el transmisor siempre estaba frente al barco. [4]
El sistema B–T se introdujo casi al mismo tiempo que los primeros triodos , y la asociación con Marconi se produjo el mismo año en que se observó por primera vez la capacidad del triodo para amplificar señales. En 1920, el uso de amplificadores en la radio ya estaba muy extendido. [11]
Los amplificadores de triodo permitieron detectar señales débiles a una mayor distancia.
Durante la década de 1910 y principios de la de 1920, varios investigadores descubrieron que las 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. Esto amplió enormemente el alcance, lo que permitió que se utilizaran transmisores de menor potencia para comunicaciones de muy largo alcance. En 1923, varios operadores de radioaficionados demostraron un excelente rendimiento a 100 m y comenzaron las comunicaciones transatlánticas de rutina al año siguiente. Esto llevó a que se definieran varias bandas de frecuencia nuevas en esta región de onda corta , tan cortas como 10 m (que es muy larga para los estándares actuales). En 1930, estas frecuencias se usaban ampliamente para muchos propósitos. [12]
Las señales de onda corta presentaban un problema para el RDF porque la señal de onda ionosférica se puede recibir simultáneamente desde varios saltos diferentes, lo que hace que parezca que el transmisor está en varios rumbos diferentes. La solución ya se había estudiado, aunque no para resolver este problema específico. En 1917, Frank Adcock estaba tratando de resolver el problema de hacer que las antenas grandes fueran adecuadas para su uso con el radiogoniómetro incluso en las longitudes de onda más largas. Desarrolló un sistema que utilizaba cuatro mástiles muy altos, conectados eléctricamente para formar dos bucles virtuales. Esto eliminaba la necesidad de conectar las partes superiores de las antenas, que de otro modo eran 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 ionosféricas, lo que permitía que solo la onda terrestre de línea directa llegara al goniómetro.
Las bandas de longitud de onda más cortas son particularmente útiles para el uso en aviación. Una antena que transmitiera una señal útil en frecuencias de onda larga sería más grande que una aeronave típica (aunque los zepelines no tenían problemas) [10] e incluso frecuencias más altas en las bandas de alta frecuencia (HF) y muy alta frecuencia (VHF) eran altamente deseables.
Las limitaciones de estas frecuencias para las comunicaciones de 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 volara 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 extendida desde la cabina hasta la parte superior del estabilizador vertical. Esto proporcionaba 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 usaba 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 aérea 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 equipos BTDF Marconi 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 la navegación de larga distancia. En 1945, estas habían sido reemplazadas en gran medida por sistemas RDF en la aeronave, 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 requería cierto tiempo para realizarlo, a menudo del orden de varios minutos para una buena localización . Esto dio lugar a diversos sistemas para acelerar la transmisión de mensajes y dificultar tales operaciones. Un ejemplo fue el sistema de código Kurzsignale de la Armada alemana , que condensaba los mensajes en códigos cortos, y el sistema Kurier de codificación de ráfagas totalmente automatizado , que enviaba una Kurzsignale en solo 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 los EE. UU.
En Estados Unidos se utilizó ampliamente un sistema desarrollado originalmente por los laboratorios franceses ITT . El equipo del ITT huyó de Francia antes de la invasión alemana y destruyó su equipo antes de partir. Una vez que llegaron a Estados Unidos, pudieron duplicar rápidamente sus esfuerzos. 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 hacía que la señal trazara un patrón en la pantalla que podía 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 hacia 1943. El HFDF utilizaba amplificadores balanceados que se conectaban directamente a un tubo de rayos catódicos para mostrar instantáneamente la dirección directamente desde la señal entrante, sin necesidad de movimiento mecánico de ningún tipo. Esto permitía 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 muy bien 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 la RDF podía realizarse en una pequeña antena receptora de sólo unos pocos centímetros de longitud. Dado que la antigua técnica de bucle giratorio era práctica en estas frecuencias, la mayoría de las aeronaves utilizaban una. El segundo avance fue la introducción del radiogoniómetro automático (ADF), que automatizó por completo el procedimiento de RDF. Una vez que un sistema ADF se sintonizaba con una estación, ya fuera una baliza de vía aérea o una estación de radio AM , movía continuamente un puntero para indicar el rumbo relativo sin necesidad de intervención adicional del operador.
Los sistemas B-T y de espiras rotatorias de diversos tipos siguieron utilizándose en la era de posguerra por parte de civiles. Durante este período se siguieron realizando mejoras en ambos sistemas, especialmente la introducción de solenoides en lugar de las espiras convencionales en algunas funciones. Sin embargo, la introducción del radiogoniómetro Doppler , y especialmente la electrónica de bajo costo para implementarlo, condujo a la desaparición de los sistemas de espiras tradicionales a mediados de la década de 1990. Los sistemas Doppler utilizan antenas fijas, como el BTDF, pero se encargan de la radiogoniometría únicamente mediante el procesamiento de señales.
Las señales de radio consisten en campos eléctricos y magnéticos que varían constantemente y están dispuestos en ángulos rectos. Cuando el campo magnético pasa por un objeto metálico, hace 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 ángulos rectos entre sí (o alternativamente, se puede pensar que el campo eléctrico está en línea con el objeto). Aunque las señales de radio se propagan en cualquier orientación, para las señales consideradas aquí la propagación se atenúa fuertemente si el campo magnético no es perpendicular al suelo. Por esta razón, las antenas de radio, tanto de transmisión como de recepción, normalmente son verticales. [15] Se dice que tales 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 perciba como diferencias de fase . Por ejemplo, si las dos antenas están ubicadas a media longitud de onda de distancia, una señal que se aproxima por la línea que las separa tendrá la fase opuesta en las dos antenas, lo que provocará que se induzcan voltajes opuestos. Si la señal se aproxima 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 frente a la señal, porque los voltajes en ambas secciones verticales son opuestos 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 fluirá corriente. 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 bucle utiliza este principio de una forma conveniente 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. Por lo tanto, aunque la antena es un bucle completo, solo las secciones verticales tienen alguna acción en la recepción y actúa como dos antenas separadas. Para medir el rumbo de un transmisor, el bucle se hace girar sobre su eje vertical hasta que la señal cae a cero, o se anula , 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 alambre vuelva a irradiar la misma señal. [20] Aunque la bobina es típicamente mucho más pequeña que la longitud de onda y por lo tanto tiene un pequeño factor de antena , el uso de muchos bucles de alambre en la bobina mejora la intensidad general de la señal. La energía total irradiada 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 de detección , otra antena de bucle, se coloca en el área entre las bobinas de campo. La rotación de la bobina de detección en las bobinas de campo tiene el mismo resultado que la rotación de toda la antena de bucle en el campo original. [21]
Incluso una ligera desalineación de ambos causa 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. Se usaban comúnmente 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 estuvieran formadas por un solo bucle de alambre, pero como en realidad están formadas por múltiples bobinados, son, en efecto, pequeños solenoides . El campo resultante es entonces más fuerte en los bordes de los bobinados, cayendo (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 octantal . [24]
La solución a este problema es enrollar la bobina sensora en dos pares, cada uno desplazado 22,5 grados respecto de cada lado de la línea central. Esto hace que el error en una bobina sea el opuesto al de la otra, una condición que se mantiene en todo el círculo. La corrección nunca es perfecta, los ángulos precisos tuvieron que experimentarse en cada radiogoniómetro. [24]
Para que funcionen correctamente, es importante que ambos circuitos de antena estén cuidadosamente equilibrados. Para empezar, las antenas deben 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, normalmente se insertan inductores y condensadores adicionales en el circuito para que ambas antenas tengan los mismos totales para ambas. [25] Una técnica común para equilibrar dinámicamente el circuito era introducir una señal de zumbador externo en las entradas de la antena y luego sintonizar los condensadores hasta que la señal en ambas fuera la misma. [25]
Incluso cambios menores en el clima, la disposición física o incluso golpes en el chasis que contiene los condensadores sintonizables pueden hacer que la sintonización varíe. Por esta razón, se utilizaron diversos sistemas para disminuir la sensibilidad del radiogoniómetro a la desajuste. 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 de detección alrededor de un cilindro vertical y cablear las bobinas de campo en una disposición similar lo más cerca posible de la bobina de detección, todo el circuito se acoplaba capacitivamente. Entonces, se podía utilizar un solo condensador sintonizable en la salida de la bobina de detección para sintonizar todo el sistema. [26]
Una desventaja de cualquier sistema DF que utilice antenas de bucle 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 en cualquier lado de la antena. Para solucionar esto, muchos sistemas DF agregaron una antena adicional, la antena sensora (no relacionada con la bobina sensora). [27]
Una antena sensora normalmente consta de una única antena vertical situada 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 original de 8 a un cardioide. [28]
También es posible simular la antena de detección tomando una señal del bucle con el que estaría asociada. Esto se logra normalmente colocando una toma central en el inductor de sintonización y luego alimentando esa señal al circuito como si fuera de otra antena. Dado que la toma central hace que la señal de ambas secciones verticales esté equilibrada, crea una señal similar a un único mástil vertical. [29] Cuando se utiliza con devanados aperiódicos, el circuito de detección debe estar conectado 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 para 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 , lo que permitía 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 en código Morse , para iniciar el barrido y, a continuación, barrer lentamente una señal constante. El operador cronometraba desde el final de la señal de inicio hasta el máximo en el tono continuo y, a continuación, dividía por la velocidad de rotación para determinar el ángulo. [10]
La ventaja del sistema B–T en términos de simplicidad mecánica hizo que, en general, fuera difícil utilizarlo en esta función debido a la cantidad normalmente pequeña de energía que podía sintonizar. También se desarrollaron varios sistemas que competían con él, incluidas antenas omnidireccionales con reflectores de malla de alambre motorizados, así como un sistema Telefunken que tenía múltiples antenas dipolares 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 las aeronaves permitieron que los sistemas DF se llevaran a bordo de los vehículos.
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