Fig. 46.—Variación de la señal recibída con la posición del cuadro.
Radiogoniometría
Radiogoniometría.—
El efecto direccional de las antenas de cuadro, de que ya hemos tratado, es ampliamente utilizado para determinar la dirección en que una señal radioeléctrica llega al receptor, lo que tiene importantes aplicaciones en la navegación marítima y en la aérea.
Si se dispone una antena de cuadro conectada a un receptor y se sintoniza éste a la frecuencia emitida por una emisora A, figura 46, hagamos girar el cuadro; en el momento en que su plano coincide con la línea recta que le une con la emisora, se recibirá la señal emitida con la máxima intensidad. A medida que se vaya haciendo girar el cuadro, la señal irá disminuyendo de intensidad hasta anularse en el momento en que el plano del cuadro forma un ángulo de 90º con la recta que lo une al emisor.
Continuando la rotación en el sentido de la flecha, volverá a percibirse la señal, alcanzando otro máximo cuando el cuadro haya girado 180º con relación al primer máximo obtenido.
El diagrama de la misma figura, representa las intensidades relativas de la señal recibida, en función de los ángulos que forma el plano del cuadro con la dirección de la propagación directa. Para un ángulo de 30° la señal recibida se reduce al 85 por 100, para un ángulo de 60° al 50 por 100 y, por fin, para un ángulo de 90° se reduce o cero para volver a crecer simétricamente.
El cuadro, por sí sólo, sirve, pues, para determinar una dirección, pero no un sentido en esta dirección. Otra estación B situada en la misma recta, pero al lado opuesto respecto al cuadro, produciría las mismas variaciones de señal que la emisora A. Para evitar esta indeterminación se añade al campo eléctrico recibido por el cuadro, otro campo eléctrico captado por una antena no direccional.
Supongamos, figura 47, que se llevan al mismo receptor las corrientes recibidas por un cuadro y por una antena vertical. Cuando el cuadro esté situado de manera que la señal recibida pueda estar representada por el vector AB, la antena vertical, cuyo diagrama es circular, recibirá una señal representada por el vector AC, y ambas se sumarán dando como resultado una señal total AN.
En cambio, al girar el cuadro 180º la intensidad recibida será la misma, pero deberá estar representada por el vector AE de fase opuesta, puesto que al cambiar la cara del cuadro las corrientes desarrolladas cambian de sentido y como la señal recibida por la antena no direccional seguirá siendo AC, el resultado en el receptor será la diferencia de las dos señales. Bastará regular la intensidad de las dos señales recibidas para que sus valores absolutos sean iguales y el resultado será la anulación en el sentido opuesto al de la procedencia de la onda.
Resulta, por lo tanto, que una instalación radiogoniométrica debe disponer de dos antenas, una de cuadro o de dirección, y otra invariable que se llama antena de sentido.
El circuito de radiofrecuencia está esquemáticamente representado en la figura 48.
Las corrientes de radiofrecuencia desarrolladas en el cuadro móvil pasan a través de dos bobinas B, y excitan las rejillas de dos triodos que funcionan como amplificadores.
Un condensador variable C sirve para acordar el circuito de entrada a la frecuencia de la señal recibida.
La antena no direccional, o de sentido, se sintoniza también mediante un variómetro y un condensador variable. Las corrientes recibidas pasan a través de una resistencia y una bobina B2 acoplada a las bobinas del circuito de entrada.
Mediante este acoplamiento variable se regula la intensidad recibida de la antena de sentido.
Las corrientes resultantes, amplificadas por los dos triodos, se heteródinan en la válvula mezcladora con la oscilación local producida por la válvula osciladora, en los radiogoniómetros antiguos, o simplemente sufren el proceso normal de recepción en un receptor superheterodino.
El cuadro móvil se encierra en una cubierta protectora de la humedad, figura 49, y se coloca formando un plano vertical, al aire libre, sobre la cubierta.
Los conductores pasan por el interior de una columna metálica hasta el receptor, y un volante de mando permite hacer girar el cuadro alrededor de un eje vertical.
Un indicador sirve para observar la dirección del plano del cuadro móvil referida al eje del barco.
Al fijar el sentido puede servirse el operador de la señal máxima o de la señal nula puesto que ésta coincide con la posición del cuadro perpendicular a la dirección de la onda recibida. Generalmente se utiliza para las determinaciones la señal nula pues es más fácil al oído humano determinar la ausencia de señal, que precisar la intensidad máxima de la señal percibida.
La gran masa metálica del barco produce una desviación en la dirección de la onda recibida, originando un error en las medidas. Este error es nulo cuando la estación emisora se encuentra a proa o a popa porque entonces la acción de la masa es simétrica respecto al eje del navio; pero a medida que la dirección en que se encuentra la emisora forma un ángulo mayor, el error aumenta. Dicho error está representado por el ángulo AOA', figura 50, y puede determinarse experimentalmente al hacer la instalación radiogoniométrica en el barco, trazándose una curva como la de la figura 51, en la que se obtiene el ángulo de error que es necesario añadir o sustraer a cada marcación del radiogoniómetro, o radio-compás.
El sistema para determinar la posición de un barco valiéndose del radiocompás es el siguiente :
El barco dispone de cartas semejantes a la representada en la figura 52 con la situación de emisoras fácilmente ídencificables.
Supongamos que empieza por ponerse en comunicación con la emisora A. Mediante su cuadro giratorio y después de hecha la corrección de sentido por medio de la antena no direccional y la corrección de masa según el ángulo observado, de que acabamos de tratar, se encuentra que la dirección de la propagación forma un ángulo de 80º con el meridiano del barco.
Esta observación nos permite marcar en la carta la línea AM que forma también un ángulo de 80º con el meridiano de la estación A. Una nueva marcación respecto a la estación B permite el trazado de otra recta BN, y una tercera observación hecha con la emisora situada en el punto C sirve para el trazado de la recta CP.
Si las tres rectas no se cortan exactamente en un punto, caso frecuente en la práctica, el barco se encuentra casi seguramente dentro del pequeño triángulo formado por las tres rectas y, por lo tanto, su posición queda perfectamente determinada.
Radiofaros.—
Existen emisoras convenientemente situadas en las costas, que funcionan automáticamente emitiendo señales que permiten identificarlas. Estas emisoras se llaman radiofaros.
En España el primer radiofaro fue ínstalado en la isla de Sálvora, en las costas de Galicia, punto que señala la llegada a Europa de los barcos procedentes de América y que, por lo tanto, tiene una gran importancia para la navegación en el Atlántico.
Los radiofaros permiten la orientación de los barcos aun cuando estos carezcan de estación radiogoniométrica pudiendo llegar a marcarles una trayectoria determinada; por ejemplo, la embocadura de un canal. Para ello en un mismo punto se disponen dos estaciones emisoras que transmitan en la misma longitud de onda, pero cuyas antenas están dispuestas de manera que sus diagramas respectivos de alcance sean diferentes, figura 53. Supongamos que las curvas C1 y C2 son los diagramas de alcance de dos emisoras instaladas en el punto central.
Una de las emisoras transmite una señal que llena les intervalos de la señal transmitida por la otra. Por ejemplo, una de ellas emite constantemente la letra A en Morse que está formada por un punto y una raya ( . —) mientras que la otra emite una N constituida por una raya y un punto ( — .).
Sincronizadas ambas emisoras en la forma que indica la figura 54 si el navío se encuentra, por ejemplo, en el punto A sobre la recta AX recibirá ambas señales con la misma intensidad y como los intervalos se complementan, el resultado en su receptor será una raya continua.
Si el barco se encuentra en uno de los puntos B o D, como prepondera una de las emisiones, percibirá en su receptor una A o una N repetidas continuamente. Es fácil, por lo tanto, al navegante maniobrar hasta mantenerse en la dirección exacta que el radiofaro le señala.
Otro tipo de radiofaros consiste en una emisora dotada de una antena muy direccional formada por un sistema antena-reflector (II) que concentra los rayos en un haz muy estrecho.
Esta antena gira constantemente alrededor de su eje lanzando su haz de rayos sucesivamente a todos los puntos del horizonte, igual que un faro luminoso. El radiofaro emite una letra durante una rotación de unos 6º aproximadamente en la forma que indica la figura 55. El barco, dispuesto generalmente para recibir un grupo de seis letras, reconoce fácilmente si se encuentra en el sector A, B, C o D según cual sea el grupo de letras que periódicamente recibe. El grupo de letras generalmente emitidas por los radiofaros españoles es el indicado en la figura 55.
Navegación aérea.—
El empleo de los radiofaros es de gran importancia en la navegación aérea, de tal manera que las grandes rutas comerciales están definidas mediante instalaciones convenientemente situadas.
El sistema es análogo al ya descrito al tratar de la superposición en el receptor de dos señales complementarias. Basta al piloto mantener el rumbo de manera que perciba una raya continua en su receptor para saber que conserva la dirección correcta de vuelo.
Asimismo le es fácil conocer, por la señal preponderante, a qué lado se encuentra de la dirección que deba seguir.
En la figura 56 damos el diagrama de una ruta aérea balizada por radiofaros en la línea Cleveland-Nueva York.
Cada radiofaro emite con dos antenas direccionales, correspondiendo el campo electromagnético creado por cada una a las curvas de trazo lleno, una de ellas, y a las curvas de puntos, la otra.
La intersección de ambas curvas determina la dirección de la navegación.
Las letras, en alfabeto Morse, complementarias son también las indicadas én el esquema.
Los radiofaros dan cuatro direcciones de entrada a cada aeropuerto, correspondientes a las cuatro intersecciones de los diagramas de campo respectivo.
Las longitudes de onda empleadas están dentro de la gama de 285 a 350 kilociclos, y la separación entre las frecuencias de dos radiofaros situados en dos aeropuertos adyacentes es como mínimum 12 kilociclos, para que las señales recibidas puedan ser claramente diferenciadas.
Ordinariamente la potencia en antena emisora es de 2 kilovatios.
Las señales radiotelegráficas se producen modulando la onda portadora con una audiofrecuencia de 500 a 1.000 ciclos por segundo producida por un alternador y automáticamente emitida.
Intermedias, entre dos radiofaros adyacentes, se sitúan pequeñas estaciones de reducido alcance destinadas a identificar una ciudad determinada, un aeródromo de socorro o una importante variación en la topografía del terreno.
El sistema de antenas direccionales consiste en cuatro torres, figura 57 situadas en los vértices de un paralelogramo.
Las dos torres que forman los extremos de cada diagonal, alimentadas en fase opuesta a través de una línea de transmisión, constituyen un grupo equivalente a una antena de cuadro cuyo campo radiado tiene la forma de dos círculos tangentes como se índica en la figura 46 para los cuadros receptores. El sistema equivale, por lo tanto, a dos cuadros de planos verticales perpendiculares entre sí en los cuales se han suprimido los conductores horizontales.
La separación entre dos torres opuestas varía entre 100 y 150 metros, y su altura es del orden de 30 a 40 metros.
De este modo se evita la radiación de un campo electromagnético polarizado horizontalmente, con lo que se suprimen los errores de dirección producidos durante la noche por reflexiones en las capas ionizadas de la alta atmósfera.
Indicación visual.—
La ruta seguida por el aeroplano en vuelo puede ser marcada mediante un indicador visual situado en el tablero de mandos del piloto.
El fundamento del montaje está indicado en la figura 58.
Las rejillas de las dos válvulas V1 y V2, están polarizadas negativamente por medio de una batería C de manera que ninguna corriente de placa pueda circular, aunque los dos cuadros radiogoniométricos conectados a ellas, reciban una señal.
Un generador local de baja frecuencia induce, sin embargo, en el secundario del transformador T1 tensiones que alternativamente se suman o restan con la negativa de la batería C, de modo que la polarización de rejilla de cada una de las dos válvulas se hace alternativamente menos negativa.
En el momento en que la polarización de una de las dos válvulas disminuye, ésta se hace capaz de amplificar la señal recibida por su cuadro respectivo, pasando una corriente de radiofrecuencia por la inductancia de placa LP.
En el semiperíodo siguiente de la tensión local de baja frecuencia, la válvula que antes amplificaba queda insensible y, en cambio, es la otra la que actúa. De este modo la tensión inducida por la bobina LP sobre la bobina LR, conectada a la entrada de un receptor, se invierte.
A esta bobina LR está acoplada otra antena no direccional cuyo campo se sumará y restará alternativamente con el inducido por la bobina LP. Estas variaciones de intensidad equivalen a una modulación de la onda recibida, que es detectada, y amplificada la audiofrecuencia resultante.
Dicha audiofrecuencia amplificada se lleva a la bobina móvil de un electrodinamómetro, cuya bobina de campo está alimentada por la misma corriente local de baja frecuencia.
El cuadro está colocado en el avión de manera que su plano sea perpendicular al eje del aparato.
Si el aeroplano tiene su eje exactamente dirigido hacia la estación emisora no se produce en el cuadro corriente alguna y, por lo tanto, no llega al receptor más corriente que la procedente de la antena no direccional. La bobina LP no es recorrida por ninguna corriente, y la aguja del electrodinamómetro indica el punto O.
Si el avión se encuentra en el punto C, figura 59, como el cuadro resulta inclinado, se desarrollará una corriente, cuya fase dependerá de la zona del diagrama de campo en que se encuentre el rayo electromagnético y que se sumará o se restará a la recibida por la antena no direccional (según su posición) con una frecuencia igual a la de la corriente local de baja frecuencia.
En la bobina móvil del electrodinamómetro se desarrollará una corriente que desviará la aguja hacia la izquierda o hacia la derecha según la situación del aeroplano respecto al rumbo correcto.
Las indicaciones audibles enviadas por los radiofaros pueden también traducirse en indicaciones visuales, sobre una ruta aérea radiobalizada como la representada en la figura 56.
El radiorreceptor de a bordo lleva tras el paso final una válvula rectificadora figura 60, en cuyo circuito existe un transformador final TJ.
Al llegar al receptor las dos señales complementarias correspondientes a los dos lados del rumbo correcto, constituidas por rayas la una, y por puntos la otra, las corrientes en el primario del transformador TS tendrán respectivamente las formas representadas por los diagramas a) y b).
Rectificadas estas corrientes, darán lugar en el circuito del secundario a las formas c) y d), en el primario del transformador final TJ.
Como en el secundario de TJ no se produce corriente alguna, hasta que la corriente en el primario sufre una variación de intensidad, la serie de rayas producirá el efecto de una disminución de corriente a cada intervalo; en cambio, la serie de puntos ocasiona un aumento de corriente, por lo tanto, los efectos en el secundario tendrán una fase inicial opuesta, e) y f) según que las señales recibidas sean la serie de puntos o la serie de rayas.
A este transformador final TJ se conecta un aparato de medida cuya sensibilidad decrece cuando aumenta la separación de la aguja de la posición central.
Al llegar un tren de señales, si éstas pertenecen al grupo que se inicia con la fase positiva, la aguja se desviará hacia uno de los lados de la escala, por ejemplo a la derecha, y cuando llega la fase negativa, como la aguja ya desviada se encuentra en la zona de mínima sensibilidad, continuará desviada hacia el mismo lado.
Al desplazarse el avión hacia el rumbo correcto, las señales preponderantes, cada vez menos intensas, van paulatinamente reduciendo la desviación de la aguja hasta que, equilibradas ambas señales, no se produce variación alguna en el primario de TJ y, por lo tanto, ninguna corriente se desarrolla a través del indicador.
Si el aparato entra en la zona opuesta, al encontrarse la aguja en el punto de máxima sensibilidad y predominar la señal que inicia la corriente del secundario con la fase contraria, hace desviar la aguja del indicador en sentido también opuesto.
Radiogoniómetro terrestre.—
Es frecuente también que un aeroplano navegando fuera de las rutas balizadas, necesite conocer su posición mediante observaciones radiogoniométricas, Para estos casos, desde el aeroplano se pide a una o dos estaciones terrestres dotadas de radiogoniómetro, la determinación de su posición.
Es evidente que un radiogoniómetro consistente en un cuadro giratorio como los descritos al tratar de la navegación marítima, puede permitir a la estación de tierra determinar la dirección en que llegan las señales radioeléctricas procedentes del aeroplano.
Sin embargo, para evitar los errores a que dan lugar, sobre todo los conductores horizontales de las antenas de cuadro, y al mismo tiempo para poder disponer de una mayor sensibilidad en la recepción, los radiogoniómetros terrestres situados en los aeródromos, utilizan para la recepción cuatro antenas verticales análogamente dispuestas a las representadas en la figura 57, para los radiofaros.
El sistema equivale a dos antenas de cuadro con sus planos perpendiculares entre sí, AB y CD, figura 61. Estos cuadros formados por torres situadas en los extremos de un cuadrado no pueden, por lo tanto, girar como los cuadros de los radiogoniómetros náuticos.
Cada uno de los cuadros está conectado a un par de bobinas LA y LB cuyos ejes forman ángulo recto.
En el centro de estas cuatro bobinas se encuentra la bobina exploradora LM movible, de manera que puede girar en torno a una recta perpendicular a su eje. Esta bobina está conectada al radiorreceptor.
Si las ondas procedentes del avión cuya posición se quiere señalar, llegan en la dirección X perpendicular al plano AB, el cuadro CD recibirá la máxima intensidad, mientras que el cuadro AB no recibirá ninguna.
La máxima señal recibida en el receptor corresponderá a la posición de la bobina exploradora LM con su eje en prolongación del eje del par de bobinas LA.
Del mismo modo, una onda que llega en la dirección Y producirá la máxima señal en el receptor cuando la bobina exploradora tenga su eje en la prolongación de las bobinas LB .
Una onda que llegue en una dirección intermedia Z desarrollará, en cada uno de los cuadros, corrientes proporcionales al coseno de los ángulos α y β que la dirección de la onda forma con el plano de cada cuadro.
En los dos pares de bobinas LA y LB se desarrollan corrientes de intensidades diferentes que crearán en el centro del grupo dos campos, también de intensidades diferentes formando ángulo recto, que pueden estar representados por los dos vectores VA y VB, figura 61.
Para que la bobina exploradora reciba la máxima intensidad, la posición de su eje debe coincidir con la resultante VR de los campos creados por los dos grupos de bobinas.
Basta añadir a la bobina de exploración un indicador movible sobre un limbo graduado para obtener medidas semejantes; pero con gran ventaja sobre las que se obtienen mediante un cuadro giratorio.
Este es también el principio del radiogoniómetro Bellini-Tossi, muy empleado en radiogoniometría terrestre y marítima, cuya única diferencia con el descrito es que los dos cuadros de planos perpendiculares están sustituidos por dos antenas triangulares en la forma que indica la figura 62.
Aterrizaje radiobalizado.—
El conjunto de un aeródromo dispuesto para el aterrizaje mediante indicaciones radioeléctricas es, en general, el de la figura 63.
En el punto A se encuentran las cuatro antenas del radiofaro que señala la ruta de entrada en el aeródromo.
Una segunda emisora con onda media y potencia muy reducida, generalmente 200 vatios, situada en B sirve para dar a conocer al avión su distancia al campo por la intensidad de la señal recibida.
Por último, otra emisora también situada en el punto B emite una onda de unos 9 metros de longitud, polarizada horizontalmente, de manera que la línea de planeo que el aeroplano debe seguir en su aterrizaje corresponde con el borde inferior de la curva de campo radiado. A una altura menor que la correcta corresponde una intensidad de recepción menor y a una altura superior una intensidad mayor.
Las indicaciones visuales de dirección y de altura se combinan en un solo indicador en la forma que se señala en la figura 64.
La aguja horizontal corresponde al indicador de altura y la vertical al de dirección, de modo que la intersección de las dos da la posición del aeroplano con relación a la correcta que está marcada en el centro.
Así la indicación a) se refiere a posición a la izquierda de la normal y demasiada altura, la indicación b) señala aterrizaje correcto, y la indicación c) posición a la derecha y altura escasa.
"Megafonía, medidas, televisión y otras aplicaciones - Elementos de radiotecnia" J. Sánchez - Cordovés
Ediciones Radio, Madrid, 1941