ベリーニ・トシ方向探知機

この英国海軍モデルは、B-Tゴニオメータの典型的な例です。2組の磁場コイルと回転するセンスコイルが見えます。

ベリーニ・トーシ方向探知機（B-TまたはBTDF ）は、無線方向探知機（RDF）の一種で、無線送信機の方向、つまり方位を測定します。初期のRDFシステムは非常に大きな回転ループアンテナを使用していましたが、B-Tシステムでは、2つの固定アンテナとラジオゴニオメータと呼ばれる小さな回転ループアンテナに置き換えられました。これにより、特に船舶などの大型車両や、大型アンテナを必要とする非常に長い波長を使用する場合に、RDFははるかに実用的になりました。

BTDFは1900年代初頭に2人のイタリア人士官によって発明され、1912年に彼らがマルコーニ社と提携したことから、マルコーニ・ベリーニ・トージと呼ばれることもあります。BTDFは1920年代から1980年代にかけて最も普及した海軍方向探知方式であり、1930年代から第二次世界大戦後まで初期の長距離航空航法システムの主要部分として使用されました。BTDFシステムは、軍事信号諜報収集にも広く使用されました。

戦時中、情報収集の役割において、無線ゴニオメータはハフダフのような新しい技術に取って代わられ始め、正確な測位に必要な時間は数分から数秒へと短縮されました。マイクロコントローラを用いて無線信号を安価に処理できるようになったことで、1980年代以降、擬似ドップラー方向探知機が無線ゴニオメータの役割の大部分を担うようになりました。現在ではほとんど使われていませんが、BTDFシステムのオリジナルのアンテナは今でも多くの船舶で見ることができます。

歴史

初期のRDF

初期のRDFシステムは、木製のフレーム上に構築された大型の回転ループアンテナを使用していました。この1919年の例は、米国国立規格協会が所有しており、当時としては比較的小型です。

RDFに関する最初の実験は1888年に行われ、ハインリヒ・ヘルツはアンテナとして用いられる開ループ導線の方向性を発見しました。彼は、ループの両端の隙間に発生する火花は、ループが送信機の端面を向いているときにははるかに強く、正面を向いているときには完全に消えることに気づきました。^[1]

1900年代初頭までに、多くの実験者がこの概念を用いて送信機の位置を特定する方法を模索していました。初期の無線システムでは、一般的に長波または中波信号が使用されていました。特に長波は、地面との相互作用が少ないため長距離伝送特性に優れており、送信機を直接示す優れた大円経路の 地上波伝搬を提供しました。長波信号にRDF（相対距離分布）を適用する方法は、1900年代から1910年代にかけて主要な研究分野でした。^{[2] [3] [a]}

アンテナは一般的に、波長のかなりの部分、あるいはそれ以上の長さを持つ場合にのみ信号に反応します。一般的な例としては半波長ダイポールアンテナが挙げられます。長波帯での使用では、一辺が数十フィートにも及ぶループアンテナが使用され、信号強度を向上させるために複数のループアンテナが接続されることがよくありました。そのため、アンテナを回転させる際に大きな問題が生じました。アメリカ海軍は、長いアンテナを船舶に搭載し、旋回しながら航行することで、この問題をある程度克服しました。^[4]

この問題に対する一つの解決策は、 1905年にマルコーニ社によって開発されました。これは、共通の中心点から外側に向くように配置された、多数の長い水平のワイヤまたはロッドで構成されていました。可動スイッチは、これらのワイヤの反対側のペアを接続してダイポールを形成し、操作者はスイッチを回転させることによって最も強い信号を探すことができました。^{[5] [6]}これらのシステムはいずれも扱いにくく、多くの用途には実用的ではありませんでした。^[7]

ベリーニ・トーシ

タグボートのマスト上に設置された交差ループDFアンテナ。これはB-T無線ゴニオメータと併用され、陸上の送信機からの測定を行うことで航行に使用されます。

1907年の実験中、^{[8] [b]}エットーレ・ベリーニとアレッサンドロ・トーシは、複数の巻線でループを形成することで、受信信号を再放射できることに気付きました。2つのループアンテナを直角に配置し、同じ方向に2組の小さな巻線コイルを配置することで、元の無線信号の指向特性を再現しました。方向探知は、これら2つの固定子（または界磁コイル）の中央に配置された従来のループアンテナによって実行されました。回転するループは回転子（またはセンスコイル）と呼ばれていました。^{[9] [5]}

磁場コイルはアンテナに電気的に接続されているため、どこにでも設置でき、サイズは波長に依存しません。つまり、RDFはあらゆるサイズのアンテナを使用して、最長波長で簡単に実行できるようになりました。長波で使用する場合、2つの交差アンテナは、1つのマストから地面に4本のワイヤを配線して三角形を形成することで簡単に構築できます。^{[4] [10]}短波長で使用する場合、2つの交差ループアンテナのシステムは、1つの回転アンテナよりも機械的に堅牢であることが証明されました。アンテナをほぼどこにでも設置できるという利点もあります。以前のシステムでは、機械的なリンクを介して何らかのリモート操作を行うことが多かったため、アンテナまたは受信機室の設置場所が制限されていました。^[4]

1912年2月、二人は特許をマルコーニ社に売却し、ベリーニは開発を継続するために同社に加わった。^[5]その後すぐに試験運用が開始された。しかし、エンドツーエンドで送信される信号の総量はごくわずかで、増幅されていないシステム^[10]は強力な信号でしか使用できなかった。エスキモー号、ロイヤル・ジョージ号、そしてRMSモーリタニア号で行われた初期の実験は成功したが、範囲は約15マイル（24 km）に制限されていた。USSワイオミング号での試験では、米海軍は艦船自身の磁気が感知コイルから生成される信号を圧倒し、送信機が常に艦の前方にあることを示唆する出力を生成することを発見した。^[4]

アンプの追加

B-Tシステムは最初の三極管とほぼ同時期に導入され、マルコーニとの提携は三極管の信号増幅能力が初めて注目されたのと同じ年に行われました。1920年までに、ラジオにおける増幅器の使用は広く普及しました。^[11]

三極管増幅器により、弱い信号をより遠くから検出できるようになりました。

アドコックアンテナ

ラバウルにあるこの日本の BTDF 設備は、最大約 2 MHz の信号で使用されました。ユニポールの対角間隔は 90 フィートです。

1910年代から1920年代初頭にかけて、多くの研究者が、短波長の信号が後に電離層として知られるようになる層で反射されることを発見しました。これにより、信号は地面と電離層で複数回反射することで、非常に長い距離を飛び越えることが可能になりました。これにより通信距離が大幅に延長され、低出力の送信機で超長距離通信が可能になりました。1923年までに、多くのアマチュア無線家（ハム）が100メートルで優れた性能を発揮し、翌年には大西洋横断通信を日常的に開始しました。これをきっかけに、この短波帯では、最短10メートル（今日の基準では非常に長い）という新しい周波数帯が数多く定義されました。1930年までに、これらの周波数は様々な目的で広く使用されるようになりました。^[12]

短波信号はRDFにとって問題でした。なぜなら、上空波信号は複数の異なるホップから同時に受信できるため、送信機が複数の異なる方位にあるように見えるからです。この特定の問題を解決するためではありませんでしたが、解決策はすでに研究されていました。1917年、フランク・アドコックは、最長波長でもラジオゴニオメーターで使用できるように大きなアンテナを作成する問題を解決しようとしていました。彼は、4本の非常に高いマストを電気的に接続して2つの仮想ループを形成するシステムを開発しました。これにより、非常に大きなアンテナの場合に困難であったアンテナの上部同士の接続が不要になりました。しかし、後に、アンテナ間の地下接続によって上空波が遮蔽され、ゴニオメーターに到達するのは直線の地上波のみであることがわかりました。

航空用途

このマルコーニ B-T 受信機は、1934 年にオーストラリアで開催されたマクロバートソン エア レースで使用されました。

より短い波長帯は、特に航空用途に有用です。長波周波数で有用な信号を送信するアンテナは、一般的な航空機よりも大きくなります（ただし、ツェッペリン飛行船には問題はありませんでした）^[10]。さらに、高周波（HF）帯や超高周波（VHF）帯のより高い周波数帯域が非常に望まれていました。

これらの周波数帯では日中の見通し内通信に制限があるが、中高度を飛行する航空機にとって地平線が数百マイル離れていることもある空対地通信では深刻な問題にはならなかった。波長が短いことのメリットを示す良い例は、スーパーマリン スピットファイアに見られる。この機は、コックピットから垂直安定板の上部までケーブルアンテナを伸ばし、そこからHF無線で通信し、第二次世界大戦を開始した。これにより、理想的な条件下で平均空対空範囲は5マイル(8.0 km)であった。^{[13]これらの初期のTR9Dセットは、小型の}ホイップアンテナを使用したVHFセットに置き換えられ、範囲は50マイル(80 km)程度、空対地モードでは数百マイルに達した。

1930年代までに、長距離航空機航法におけるBTDFの使用は一般的になりました。このようなシステムの好例は、 1934年にオーストラリアで11,300マイル（18,200 km）のマクロバートソン・エアレースの一環として初めて導入されました。マルコーニ製のBTDF受信機とアドコックアンテナを備えた2つの局が、チャールビルとメルボルンに設置されました。このシステムの成功を受けて、さらに局が追加され、長距離航法用の17のDF局からなるネットワークが形成されました。1945年までに、これらのDF局は地上ではなく航空機に搭載されたRDFシステムにほぼ置き換えられました。^[14]

軍事利用

B-Tシステムは、軍隊でも敵の無線放送局の位置を特定するために広く利用されました。このシステムの実行にはある程度の時間がかかり、正確な位置特定には数分かかることもよくありました。そのため、メッセージの放送を高速化し、このような作戦を困難にする様々なシステムが開発されました。例えば、メッセージを短いコードに凝縮するドイツ海軍のクルツシグナル（Kurzsignale）コードシステムや、わずか0.5秒でクルツシグナルを送信する 完全自動バースト符号化方式のKurierシステムなどが挙げられます。

交換

手動のベリーニ・トージ方式は、英国と米国を除いて第二次世界大戦中ほぼ普遍的でした。

アメリカでは、フランスのITT研究所が開発したシステムが広く使用されていました。ITTチームはドイツ軍の侵攻を前にフランスから逃亡し、出発前に機器を破壊しました。アメリカに到着後、彼らはすぐに同じシステムを再利用することができました。このシステムは、モーターを使ってラジオゴニオメーターを高速回転させ、同時にその信号をブラウン管（CRT）のX軸とY軸入力を回転させる電子回路に入力することでした。これにより、信号はディスプレイ上にパターンを描き出し、送信方向をほぼ瞬時に特定することができました。

英国では、 1943年頃までに高周波方向探知システム（HFDF、または「ハフダフ」）がBTDFにほぼ取って代わりました。HFDFは、CRTに直接入力するバランス型増幅器を使用し、入力信号から瞬時に方向を表示しました。機械的な動作は一切必要ありませんでした。これにより、ごくわずかな信号でも捕捉し、位置を特定できました。この表示は、全く異なる原理で動作していたにもかかわらず、米国の機械式システムと非常によく似ていました。HFDFは厳重に守られた秘密であり、終戦後まで広く知られることはありませんでした。

地上設置型のBTDFシステムが航空分野で代替されたのは、主に2つの要因によるものです。1つは、波長の短波長化です。これにより必要なアンテナが大幅に短縮され、わずか数センチメートルの小型受信アンテナでRDFを実施できるようになりました。これらの周波数では、従来の回転ループ方式が実用的であったため、ほとんどの航空機で使用されていました。2つ目の進歩は、自動方向探知機（ADF）の導入です。ADFはRDF手順を完全に自動化しました。ADFシステムは、航空路ビーコンまたはAMラジオ局のいずれかの局にチューニングされると、オペレーターの介入なしに、ポインターを継続的に動かして相対的な方位を示します。

B-Tシステムや様々な種類の回転ループシステムは、戦後も民間で使用され続けました。この間、両システムは改良が続けられ、特に一部の用途では従来のループシステムの代わりにソレノイドが導入されました。しかし、ドップラー方向探知機の導入、そして特にそれを実装するための低コストの電子機器の登場により、従来のループシステムは1990年代半ばまでに姿を消しました。ドップラーシステムはBTDFと同様に固定アンテナを使用しますが、方向探知は信号処理のみで行います。

説明

アンテナの指向性

無線信号は、常に変化する電界と磁界が直角に並んだ構造をしています。磁界が金属物体を通過すると、金属内の電子が信号と同期して動き始めます。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、この効果は物体と磁界が直角をなす場合に最大化されます（あるいは、電界が物体と一直線上にあると考えることもできます）。無線信号はどの方向にも伝播しますが、ここで扱う信号の場合、磁界が地面に対して垂直でない場合、伝播は大きく減衰します。このため、無線アンテナ（放送局と受信機の両方）は通常垂直に設置されます。^[15]このような信号は垂直偏波と呼ばれます。^[8]

2つ以上のアンテナを近接して設置すると、アンテナの位置の違いによって受信信号に位相差が生じます。例えば、2つのアンテナが波長の1/2だけ離れている場合、2つのアンテナ間の線に沿って信号が近づくと、2つのアンテナで逆位相となり、逆電圧が発生します。信号が線に垂直に近づくと、位相は同じになり、電圧は等しくなります。^{[16] [17]}

アンテナの先端同士が配線されている場合、アンテナが信号に正味電圧を向けているときは、両方の垂直部分の電圧が互いに逆向きになるため、正味電圧はゼロになります。アンテナを回転させると、わずかな位相差と誘導電圧によって回路に正味電圧が生じ、電流が流れます。この現象は、アンテナが送信機と平行になっているときに最大になります。アンテナを信号に対して回転させながら、あらゆる角度で出力を測定すると、8の字型の受信パターンが形成され、鋭いゼロ点と広い最大信号領域が形成されます。^{[18] [19]}

ループアンテナは、この原理を便利かつ機械的に堅牢な形で利用しています。垂直偏波信号の場合、ループの上部と下部での受信強度は非常に低いため^[c]、出力への影響はほとんどありません。そのため、アンテナは完全なループですが、受信に影響を及ぼすのは垂直部分のみであり、2つの独立したアンテナとして機能します。送信機の方位を測定するには、ループを垂直軸を中心に回転させ、信号がゼロ、つまりヌルになるまで回転させます。ヌルは、最大値よりもはるかに鋭い信号です。^{[18] [2]}

B-Tコンセプト

ベリーニ・トーシ方式では、ループアンテナまたはアドコックアンテナの出力電圧を、小さな電線コイル（フィールドコイル）に供給します。受信信号によって誘起される変動電圧により、電線は同じ信号を再放射します。^[20]コイルは通常、波長よりもはるかに小さく、アンテナ係数も小さいため、コイルに多数の電線ループを使用することで、全体的な信号強度が向上します。コイルから放射されるエネルギーの総量はアンテナで受信されるエネルギーよりも少ないですが、その放射範囲ははるかに狭いため、磁束は元の信号よりもはるかに高くなる可能性があります。

2本のアンテナと2本の磁場コイルが互いに直角に配置されています。2本の磁場コイルの間の領域には、アンテナからの元の信号のアナログ信号が充填されます。もう1つのループアンテナであるセンスコイルは、磁場コイルの間の領域に配置されます。センスコイルを磁場コイル内で回転させると、元の磁場内でループアンテナ全体を回転させた場合と同じ出力が得られます。^[21]

両者のわずかなずれでも出力にバイアスが生じ、偽のヌルが発生します。^[22]これはラジオゴニオメーターの構造の一部として固定されていたため、ポインターを動かすだけで簡単に修正できました。スリップリングやナットが一般的に使用されました。^[23]

カップリングエラー

実際、コイルに生じる磁場は、元の磁場と全く同じではありません。磁場コイルが単一の電線ループで構成されていれば、元の磁場と全く同じになりますが、実際には複数の巻線で構成されているため、実質的には小さなソレノイドのようなものです。その結果生じる磁場は、巻線の端で最も強くなり、中心では（理想的には）ゼロになります。^[24]

これにより、出力信号はコイル内の領域を周回して上下に変化します。B-Tシステムは信号量の比較に基づいているため、出力は不均一となり、45度ごとに上下に変化し、回路全体を8周します。これはカップリングエラーまたはオクタントエラーとして知られていました。^[24]

この問題の解決策は、センスコイルを2組に分け、それぞれ中心線の両側から22.5度ずつずらして巻くことです。これにより、一方のコイルの誤差はもう一方のコイルの誤差と逆になり、この状態は円周全体にわたって維持されます。補正は決して完璧ではなく、正確な角度はラジオゴニオメーターごとに実験する必要がありました。^[24]

アンテナ調整

正常に動作させるには、両方のアンテナ回路を慎重にバランスさせることが重要です。まず、アンテナは同一でなければならず、配線の電気的特性が同一で、リード線の長さも等しく調整されている必要があります。^[21]アンテナは機械的なレイアウト上、インダクタンスとキャパシタンスを持つため、通常は回路に追加のインダクタとコンデンサを挿入し、両方のアンテナの合計が等しくなるようにします。^[25]回路を動的にバランスさせる一般的な手法は、外部ブザー信号をアンテナ入力に入力し、両方の信号が等しくなるまでコンデンサを調整することでした。^[25]

天候や物理的なレイアウトのわずかな変化、あるいはチューナブルコンデンサを内蔵するシャーシへの衝撃でさえ、チューニングが変動する可能性がある。そのため、ラジオゴニオメータのチューニング誤差に対する感度を低減するために、様々なシステムが用いられた。その中でも最も重要なのは、ラジオゴニオメータの内部配線の機械的レイアウトを規定した非周期アンテナコンセプトである。センスコイルの配線を垂直の円筒の周りに巻き付け、磁場コイルを同様の配置でセンスコイルに可能な限り近づけて配線することで、回路全体が容量結合される。こうして、センスコイルの出力に接続された単一のチューナブルコンデンサで、システム全体をチューニングすることが可能になった。^[26]

感覚システム

ループアンテナを用いたDFシステムの欠点の一つは、アンテナの感度が前面と背面で等しく、測定結果には常に180度の不確実性が存在することです。つまり、送信機がアンテナのどちら側にあるかは関係ありません。この問題に対処するため、多くのDFシステムでは、センスコイルとは無関係のセンスアンテナと呼ばれる追加のアンテナが追加されています。^[27]

センスアンテナは通常、交差ループから少し離れた位置に、2つのループのうちの1つと一直線上に、ループの2つの垂直部分間の距離とほぼ同じ距離に配置された単一の垂直アンテナで構成されます。センスアンテナの出力は、オン/オフを切り替えるスイッチを介して、直列に接続されたループと混合されます。スイッチがオンになると、ループの後部の出力を抑制し、前部の出力を強化する電圧が生成されます。その結果、受信パターンは元の8の字型からカーディオイド型に変化します。^[28]

センスアンテナをシミュレートするには、本来接続されていたループから給電線を取り出す方法もあります。これは通常、同調インダクタにセンタータップを設け、その信号をあたかも別のアンテナから供給されているかのように回路に供給することで実現されます。センタータップによって両方の垂直セクションからの信号が平衡化されるため、単一の垂直マストに似た信号が生成されます。^[29]非周期巻線を使用する場合、センス回路は同調コンデンサと共に受信機側に配線する必要があります。^[30]

伝送システム

ラジオゴニオメーターの指向性は双方向に作用するため、受信信号の方向を特定したり、送信信号の方向を変えたりすることができます。初期の実験では、この機能を利用して灯台の光線のように空を掃引する無線信号を発生させ、従来の無線受信機で信号の通過時間を計測することで位置を特定できるようにしました。典型的な解決策は、掃引を開始するために特定の開始信号（多くの場合モールス信号）を送信し、その後、ゆっくりと一定の信号を掃引することでした。操作者は開始信号の終了から連続音の最大値までの時間を計測し、それを回転速度で割ることで角度を算出しました。^[10]

B-Tシステムは機械的な単純さという利点があったが、調整可能なエネルギーが通常少ないため、この用途では一般的に使い難かった。電動ワイヤーメッシュ反射鏡を備えた全方向性アンテナや、複数のダイポールアンテナを大型電動分配器で周期的に切り替えられるテレフンケンシステムなど、いくつかの競合システムが開発された。^[31]結局、これらのシステムはどれもあまり普及せず、B-Tシステムと、航空機通信に使用される高周波数に適した小型可動ループの成功により、DFシステムを航空機に搭載することが可能になった。

注記

1. キーンは、発明家たちが実際に導入されるよりも先に非常に実用的なシステムを導入する方向に進んでいたものの、その後、明白な理由もなく開発を中止した初期の実験をいくつか挙げている。
2. 日付は文献によって異なり、1906年、1907年、1909年と記載されています。後者は米国特許出願の日付です。
3. 少なくとも長波信号については、他の周波数におけるさまざまな問題についてのテキストを参照してください。

参考文献

引用

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3. キーン 1922年、7～10頁。
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10. Salsbury 1916、451ページ。
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17. Howeth 1963、261–265ページ。
18. ショア1973、437–439​​頁。
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22. キーン1922年、51ページ。
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参考文献

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• ハウエス、リンウッド (1963). アメリカ海軍における通信・電子機器の歴史. アメリカ海軍. pp.  261– 265.
• サルズベリー、アニス（1916年3月）「無線による船舶の安全確保」『ポピュラーサイエンス』 451-453ページ。
• イェン・チェンパン（2013）『電波で空を探る』シカゴ大学出版局、ISBN 9780226015194。