增強型塔康信標(biāo)天線

史小鳴，茍鋒

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 空軍駐西安軍事代表處，西安 710068）

1 傳統(tǒng)塔康信標(biāo)天線固有特性對系統(tǒng)性能的影響

塔康系統(tǒng)為飛機提供中近程（覆蓋半徑350km～400km）極坐標(biāo)導(dǎo)航。塔康信標(biāo)天線（即塔康地面天線）是系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響系統(tǒng)的作用距離、測位精度等關(guān)鍵指標(biāo)。塔康天線方向圖及射頻信號路徑如圖1所示。

由圖 1，如不計空間擴散，塔康射頻信號路徑存在三個損耗或衰減，即饋線損耗L1（典型值1至2dB），天線方位幅度調(diào)制電路損耗L2（典型值3dB），以及調(diào)制方向圖增益凹陷衰減L3。其中方向圖增益凹陷衰減典型值L3分析如下：

圖1 塔康天線射頻信號及路徑模型

塔康信標(biāo)天線接收的來自方位φ飛機（假定φ=0）的歸一化射頻詢問信號電平波形如圖2所示，其理論表達(dá)式為：

其中：A—歸一化幅度；Ω— 2π×15 Hz。

接收電平起伏原因為塔康天線的方位調(diào)制，此調(diào)制對接收測距詢問信號無用，反而造成衰減。對圖2中后半周期（低于標(biāo)稱增益的電平段）積分，可知該時段內(nèi)平均接收電平歸一化相對值為1-4/9π（≈0.86），等效為調(diào)制場形低電平區(qū)段平均衰減L3=1.32dB。

圖2 塔康天線時變方向系數(shù)

以上損耗或衰減造成如下問題：

（1）對地面設(shè)備輸出射頻功率（上行信號）而言，為補償饋線及調(diào)制電路約1dB+3dB的損耗，以達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的遠(yuǎn)場輻射電平指標(biāo)，需要加大一倍以上的功率和配套的功放電源，從而增大了地面設(shè)備體積、重量、功耗和成本。

（2）對于飛機測距詢問信號（下行信號）而言，因其發(fā)射功率原就比地面設(shè)備低約8dB，即使考慮方向圖方位合成調(diào)制度最低點的幅度衰減影響（典型值為1-35%左右，等效地面發(fā)射功率降低3到4dB）也相對低4到5dB，再經(jīng)過對其無用的信標(biāo)天線場形調(diào)制和方位幅度調(diào)制電路、以及饋線電纜等（L3、L2、L1）共計約5dB的衰減，進(jìn)一步降低了測距詢問信號電平裕度，導(dǎo)致測距覆蓋范圍縮??；尤其是在系統(tǒng)作用距離內(nèi)因地面反射形成電場干涉谷區(qū)，接收電平甚至低于門限值，使地面設(shè)備無法接收→應(yīng)答，從而無法完成系統(tǒng)測距。圖 3為某機載塔康設(shè)備在較強地面反射情況下的實測定位記錄。記錄曲線顯示在飛機距臺約為145km和200km時，測位數(shù)據(jù)良好或略抖動，而測距數(shù)據(jù)短暫丟失或大段丟失，原因即為上述距離為多徑干涉的場強谷區(qū)，地面設(shè)備收不到飛機測距詢問信號。這是塔康系統(tǒng)常見的較難解決的問題。

圖3 塔康導(dǎo)航數(shù)據(jù)的測距數(shù)據(jù)丟失情況

2 兩種增強型塔康天線方案

2.1 基于T/R組件的塔康信標(biāo)天線

基于T/R組件的塔康天線可望有效改善或解決上述問題。天線的原理框圖如圖4所示。其特點分析如下。

2.1.1 同樣輻射功率時功放的輸出功率可大幅降低

由圖4電路可知，輻射場形的調(diào)制，直接在T/R組件的末級進(jìn)行，去除了原電路中的饋線損耗和調(diào)制電路損耗（共約4dB）。因此，在保證總輻射功率不變的情況下，模塊功放總和輸出功率可降為設(shè)備原功放輸出功率的40%左右，也大幅降低了功放電源的功率、體積和重量要求（為適配塔康天線新方案，地面設(shè)備主機輸出功率放大器予以去除，只需 輸出毫瓦級的激勵信號饋往天線）。

圖4 基于T/R組件的塔康天線電路框圖

2.1.2 測距詢問（下行）信號接收增益顯著提高

根據(jù)圖4電路，下行的詢問射頻信號在其接收環(huán)節(jié)中，一是方向圖不再含有調(diào)制場形，從而消除了原半周期內(nèi)平均衰減（1.32dB）；二是去除了調(diào)制網(wǎng)絡(luò)所衰減（3dB）；三是通過前置的低噪放LNA，還可減小饋線損耗造成的信噪比降低。綜合這幾個因素，天線的接收增益提高了約5dB。這樣可以有效降低場強谷區(qū)的不良影響，也可在通視前提下，顯著提高系統(tǒng)作用距離。

2.1.3 提高了發(fā)射機—天線鏈路的可用概率

原來集總式功放被數(shù)倍數(shù)量的小功率T/R組件功放代替，功放模塊電應(yīng)力大幅度下降；另外單一模塊損壞后，集總功放基本無法工作，T/R組件即使損壞幾個，只要損壞件不連續(xù)分布，就屬于軟故障，設(shè)備仍可工作。因此，可用概率得以提高。

2.2 分立接收塔康信標(biāo)天線

對已安裝使用的地面設(shè)備和塔康天線，無法采用上述基于T/R組件的塔康天線方案。但可用分立接收天線來優(yōu)化系統(tǒng)的接收增益。分立接收塔康信標(biāo)天線電路框圖如圖5所示。

圖5 分立接收的塔康天線電路框圖

分立接收天線在原有塔康天線基礎(chǔ)上，增添一個與既有塔康天線有大致相同垂直孔徑的全向垂直極化柱形天線，以及環(huán)流器、低噪聲放大器等。其中柱形天線為常規(guī)多元垂直陣列天線。柱形天線可安裝于原塔康天線頂部，或者在距離原塔康天線三米以外位置單桿架設(shè)。分立接收天線特點分析如下：

（1）下行信號由柱形天線接收，避免了方位調(diào)制場形起伏以及方位調(diào)制網(wǎng)絡(luò)衰減造成的損耗（共約4dB），雖然增加了環(huán)流器損耗約0.5dB，但仍提高了接收信號等效靈敏度（約3.5dB）。其中低噪放在環(huán)流器和饋線衰減之前對接收信號進(jìn)行補償放大，可以減小該衰減引起的信噪比降低。

（2）環(huán)流器對發(fā)射功率造成約0.5dB衰減，實際不會造成不良影響。因為原系統(tǒng)的上、下行信道裕度之比為：

（地面發(fā)射功率/機載接收靈敏度）（上行）－（機載發(fā)射功率/地面接收靈敏度）（下行）≈ 8 dB（或：≈ 4到5dB，考慮典型調(diào)制度衰減影響）

下行信道裕度顯著低于上行信道。這也是塔康導(dǎo)航系統(tǒng)往往出現(xiàn)測位信息（僅需上行信號）有效而測距信息（還需下行信號）無效的主要原因。分立接收天線方案的上、下行信道裕度之比為：

｛（地面發(fā)射功率－0.5dB）／機載接收靈敏度｝（上行）－｛（機載發(fā)射功率／地面接收靈敏度+3.5dB）｝（下行）≈ 4 dB；（或：≈ 0到1 dB，考慮典型調(diào)制度衰減影響）

仍然能保證上、下行信道的均衡性。

所以分立接收的塔康天線也可以有效改善工作區(qū)域測距信號覆蓋的完整性，以及增大覆蓋范圍。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)塔康地面天線固有特性的不良影響，本文提出了兩種應(yīng)用收、發(fā)波束分離原理的增強型塔康天線方案，一種是用于地面塔康設(shè)備全新設(shè)計的基于T/R組件的塔康天線，另一種是用于既有地面塔康設(shè)備的分立接收塔康天線。兩種增強型天線在理論上均可有效增大測距覆蓋范圍，并改善系統(tǒng)作用距離內(nèi)覆蓋的完整性。其中T/R組件塔康天線具有更好的特性，但需全部重新設(shè)計地面設(shè)備；分立接收塔康天線基于現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)，低成本添加常規(guī)微波部件，仍可獲得較大的系統(tǒng)性能改善，具有良好的軍事經(jīng)濟效益，尤其是在復(fù)雜地形與凈空環(huán)境下，更具有較高的推廣價值。

[1]張忠興等.塔康系統(tǒng)[M].西安:空軍電訊工程學(xué)院,1985.

[2]張希賢,夏連生,路杰岑譯.塔康原理與場地規(guī)范[Z].空軍第三研究所.

[3]史小鳴.中近程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航臺空域覆蓋特性分析[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2014,5 （5）:313.

[4]INTERSCAN Cop.TACAN ANTENNA GROUP[M].1992.