C波段無線電高度表的溫補(bǔ)調(diào)頻電路設(shè)計(jì)

夏 牟，夏永平，魏 斌，楊 兵

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

調(diào)頻式和脈沖式兩種。本文中采用的是調(diào)頻的方式：從飛行器的發(fā)射天線向地面發(fā)射鋸齒波調(diào)制的連續(xù)調(diào)頻電波，經(jīng)過地面反射后被接收天線接收。

常規(guī)工作模式是：對于相同斜率的鋸齒波調(diào)頻信號，接收信號和發(fā)射信號的差頻可計(jì)算出無線電波的傳輸時(shí)間。該系統(tǒng)需要頻率計(jì)數(shù)器來獲得最后的中頻輸出，然后轉(zhuǎn)化成高度值[2]。

本文中采用的方式是通過調(diào)頻電路，調(diào)節(jié)高度表中調(diào)頻鋸齒波的斜率，獲得固定的差頻，調(diào)頻鋸齒波的斜率就可以轉(zhuǎn)化為高度值。優(yōu)點(diǎn)是：中頻輸出后只需要加一個(gè)帶通濾波器，后面加個(gè)檢波管。檢波管電壓超過閾值時(shí)，停止掃描鋸齒波的斜率，輸出高度值[3]。該高度表的原理框圖見圖1。

1 引言

無線電高度表是使用無線電信號測量航空器離地高度的機(jī)載設(shè)備，是一種重要的飛行器儀表之一。它由發(fā)射、接收裝置和顯示器組成。飛行器在空中飛行時(shí)，高度表向地面發(fā)射無線電波，經(jīng)地面反射后，被高度表自身接收，該無線電波傳輸?shù)木嚯x就是兩倍的飛行高度。由無線電波的傳輸速度可知，只要測出電波的傳輸時(shí)間，就可以得出飛行器的離地高度[1]。

2 工作原理

無線電高度表按照工作方式來劃分，可分為

圖1 C波段高度表原理框圖

3 調(diào)頻鋸齒波電路的設(shè)計(jì)

鋸齒波發(fā)生電路主要是通過施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。其輸出鋸齒波的斜率可以通過控制電壓V1來調(diào)節(jié)[4～5]。見圖 2 所示。

鋸齒波電路的波形測試，主要包括斜率的測試以及電壓區(qū)間的測試。鋸齒波的幅度是由電阻R22來調(diào)節(jié)，頻率通過控制電壓V1來調(diào)節(jié)。鋸齒波的幅度要根據(jù)高度表采用的VCO的調(diào)頻靈敏度來調(diào)節(jié)，因此，在電路中，該電阻選取可調(diào)電阻。

圖2 鋸齒波發(fā)生電路

圖3 鋸齒波發(fā)生電路測試波形

圖3是鋸齒波發(fā)生電路的輸出波形，從上到下3個(gè)波形分別對應(yīng)1 V、3 V和5 V的控制電壓。有了這個(gè)鋸齒波發(fā)生電路，無線電高度表在固定高度飛行的時(shí)候，回波的時(shí)間固定。通過掃描控制電壓，就可以讓差頻信號和帶通濾波器的頻率一致，然后鎖定掃頻電路，根據(jù)控制電壓來計(jì)算對應(yīng)的高度值。

4 溫補(bǔ)電路的必要性及其設(shè)計(jì)方法

首先，對該型號高度表中采用的VCO進(jìn)行測試，并使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[6]，在沒有采用溫度補(bǔ)償電路的情況下，該無線電高度表中采用的VCO調(diào)頻特性見圖4。

圖4 未加溫補(bǔ)電路之前的VCO調(diào)頻特性

如圖4所示，對于同一調(diào)頻電壓，在25℃（常溫）條件下和高低溫（-45℃、65℃）條件下的頻率差有15 MHz ～20 MHz。在整個(gè)工作的溫度范圍內(nèi)，對于同樣的輸入電壓，頻率偏差可以達(dá)到30 MHz，高度表收發(fā)部分的隔離器、濾波器、天線等部件很可能會(huì)因?yàn)樾盘柕念l率偏移而不正常工作。因此，需要設(shè)計(jì)溫補(bǔ)電路來使高度表的工作頻率穩(wěn)定在同一范圍內(nèi)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，就要對高低溫下的調(diào)頻電壓進(jìn)行補(bǔ)償。因此，可以采用熱敏電阻進(jìn)行分壓的方式來調(diào)節(jié)。從圖4可以看出，高溫下對應(yīng)同樣的頻率，需要更高的調(diào)頻電壓，因此，需要把正溫度系數(shù)的熱敏電阻放在到地的分壓部分。

圖5 溫補(bǔ)電路設(shè)計(jì)原理框圖

溫補(bǔ)電路的設(shè)計(jì)原理圖見圖5。其中，電阻1選取和熱敏電阻在常溫下并聯(lián)電阻2之后同樣阻值的電阻。調(diào)靈敏度電阻主要是根據(jù)熱敏電阻的溫度特性調(diào)節(jié)電阻總值，以調(diào)節(jié)溫補(bǔ)電壓對溫度的靈敏度。首先，從圖4可以看出，熱敏電阻在-45℃到65℃需要向上調(diào)節(jié)的電壓大約為0.6 V，然后選取正溫度系數(shù)的熱敏電阻，根據(jù)熱敏電阻在-45℃和65℃的電阻值，計(jì)算出電壓改變0.6 V對應(yīng)的調(diào)靈敏電阻。通過運(yùn)放實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電壓值和鋸齒波電壓的疊加[7]。

設(shè)計(jì)中，選取了一款560 Ω的熱敏電阻，首先是分別測出-45 ℃和65 ℃溫度下的電阻值分別是120 Ω和1.1 kΩ。選取電阻1為120 Ω，電阻2和560 Ω并聯(lián)的阻值應(yīng)該為120 Ω，因此，選取電阻2為150 Ω，調(diào)靈敏度的電阻可以通過以下公式來得到：

通過計(jì)算得出調(diào)靈敏度的電阻大約為560 Ω。這樣選取的話，高溫下的調(diào)頻電壓可以比低溫下的調(diào)頻電壓高0.6 V，從而使得輸出信號的中心頻率能夠穩(wěn)定在4.3 GHz[8]。

5 整機(jī)性能驗(yàn)證

之前，如圖4所示，對于同等電壓，在高低溫條件下，VCO的輸出信號頻率差有30 MHz。把該溫補(bǔ)調(diào)頻電路安裝到C波段無線電高度表中，再進(jìn)行性能測試，對比測試數(shù)據(jù)。首先，在常溫下，調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的區(qū)間，使VCO的輸出實(shí)現(xiàn)中心頻率4.3 GHz的掃頻輸出。

圖6中，上下兩個(gè)波形分別對低溫和常溫、高溫和常溫的高度表掃頻輸出進(jìn)行了對比。其中，橫坐標(biāo)每格代表了14 MHz，標(biāo)記1、2為常溫下的頻率最小和最大值，標(biāo)記3、4為高低溫下的可以頻率最小和最大值?？梢钥闯?，和常溫比，高低溫下掃頻的上下邊帶基本沒有變動(dòng)，中心頻率漂移在5 MHz以內(nèi)，和之前圖4中未加溫補(bǔ)電路的VCO測試結(jié)果相比，三溫條件下的中心頻率穩(wěn)定了很多，這樣就保證了高度表天線在收發(fā)上的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

在帶延遲線的高度表測試系統(tǒng)中，對采用該溫補(bǔ)調(diào)頻電路的無線電高度表進(jìn)行了性能測試。圖7中，對2米、100米、1000米、1500米高度分別進(jìn)行了測試，可以看出該高度表的測試精度在0.2%以內(nèi)。

圖6 高度表三溫下的掃頻輸出

圖7 高度表精度測試數(shù)據(jù)

6 總結(jié)

本文中，針對C波段無線電高度表設(shè)計(jì)了一款溫補(bǔ)調(diào)頻電路，該電路在輸出鋸齒波的線性以及高低溫的頻率補(bǔ)償上都具有良好的性能，解決了高度表在高低溫條件下中心頻率偏移大的缺點(diǎn)，使收發(fā)頻率穩(wěn)定在天線的正常工作帶寬內(nèi)。整機(jī)測試的數(shù)據(jù)證明，采用該溫補(bǔ)調(diào)頻電路的無線電高度表的測量精度很高，并且工作頻率穩(wěn)定。

[1] 程國曉，高憲軍，陳超. 一種新的無線電高度表原位檢測的高度模擬方法[J]. 計(jì)算機(jī)測量和控制，2008.

[2] J G Proakis, M Salehi. Contemporary Communication Systems (using MATLAB)[M]. Thomson Brooks/Cole,2004.

[3] J G Proakis, M Salehi. Communication Systems Engineering, 2nded[M]. Upper Saddle River, N J : Prentice-Hall，2002.

[4] 趙克玉，許福永. 微波原理與技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[5] 陳邦媛. 射頻通信電路[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.

[6] 王正林，等. 精通MATLAB科學(xué)計(jì)算[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[7] 張善杰，等. 實(shí)用計(jì)算方法[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2000.

[8] 黃智偉. 無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.