機(jī)載調(diào)頻無線電高度表敏感特性分析

何　麗，曾小軍

(1.空軍電磁頻譜管理中心，北京 100843；2.北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076)

0　引言

近些年來，由于頻率資源的有限性、稀缺性不斷增加，世界無線電大會(huì)(WRC)每4年會(huì)根據(jù)各國使用需求進(jìn)行頻譜劃分修訂，《中華人民共和國無線電頻率劃分使用規(guī)定》也會(huì)定期修訂，多種業(yè)務(wù)共用頻段已是必然。無線電高度表也需要與雷達(dá)等其他系統(tǒng)共用頻段，這樣可能會(huì)對(duì)無線電高度表產(chǎn)生干擾。在WRC工作組研究報(bào)告中，暫未查詢到相關(guān)研究情況。

無線電高度表是一種測距導(dǎo)航設(shè)備，它利用雷達(dá)工作原理，以地面為反射體，在飛行器上發(fā)射電波，并接收地面的反射波以測定飛行器到地面的相對(duì)高度。當(dāng)飛行器作低空飛行，尤其在進(jìn)近著陸時(shí)，無線電高度表對(duì)保障飛行安全起著重要的作用。本文重點(diǎn)研究一種采用正弦波調(diào)制的調(diào)頻無線電高度表對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的敏感特性，用以規(guī)范和指導(dǎo)對(duì)雷達(dá)的布局應(yīng)用，評(píng)估兩者的兼容性，確保飛行安全。

1　調(diào)頻無線電高度表組成及其工作原理

1.1　調(diào)頻無線電高度表組成

調(diào)頻無線電高度表的基本組成如圖1所示，它主要由6部分組成：發(fā)射和接收天線、調(diào)頻發(fā)射機(jī)、混頻器、放大器和限幅器、頻率計(jì)(或計(jì)數(shù)器)以及指示器。調(diào)頻發(fā)射機(jī)包括調(diào)制器和高頻振蕩器兩部分，用于產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波，其頻率在時(shí)間上按三角、鋸齒或按正弦規(guī)律變化，地面回波和發(fā)射機(jī)直接耦合過來的信號(hào)加到接收機(jī)混頻器內(nèi)。無線電高度表系統(tǒng)工作時(shí)需要兩部天線，一部用于發(fā)射，一部用于接收。調(diào)頻信號(hào)通過發(fā)射天線輻射出去，在無線電波傳播到地面并返回到接收天線的這段時(shí)間內(nèi)，發(fā)射信號(hào)頻率較之回波信號(hào)頻率已經(jīng)有了變化，因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓，后者經(jīng)放大、限幅后加到頻率計(jì)上。由于差頻電壓的頻率與測量高度相關(guān)，通過指示器可將該差拍電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的高度指示值。

1.2　基本工作原理

調(diào)制信號(hào)為正弦波，發(fā)射頻率、接收頻率和差拍頻率的變化情況如圖2所示。發(fā)射頻率為ft，可寫為：

ft(t)=fc+Δfmcos2πFt

(1)

式中，F(xiàn)=1/T，為調(diào)制頻率；Δfm為調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏。

由此可得調(diào)頻發(fā)射信號(hào)S為：

S=cosφt(t)
=cos(2πfct+mfsin2πFt)

(2)

經(jīng)時(shí)間τ后，接收天線接收到的地面反射信號(hào)SR為：

SR=cos[2πfc(t-τ)+mfsin2πF(t-τ)]

(3)

則可得到發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)混頻檢波后差拍頻率：

(4)

差拍頻率的平均值Fbav為：

(5)

則有：

(6)

由此可得測量高度：

(7)

2　調(diào)頻無線電高度表敏感度仿真分析

2.1　調(diào)頻無線電高度表仿真建模

調(diào)頻無線電高度表原理框圖如圖3所示，高頻振蕩器產(chǎn)生等幅信號(hào)，并調(diào)頻于100Hz低頻，形成無線電高度表調(diào)頻發(fā)射信號(hào)，反射信號(hào)則是通過延遲器延遲獲得。兩路信號(hào)均通過放大系數(shù)來調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，然后送至差拍檢波器進(jìn)行差拍檢波，輸出帶有差拍頻率的信號(hào)，最后送至計(jì)算器，計(jì)算器根據(jù)差拍頻率計(jì)算獲取(按式(7)計(jì)算)高度值。圖4是按照?qǐng)D3的原理框圖采用Agilent公司的ADS軟件實(shí)現(xiàn)的仿真分析模型。

2.2　雷達(dá)脈沖信號(hào)發(fā)射模型

現(xiàn)實(shí)中，對(duì)無線電高度表產(chǎn)生干擾輸入的是一些對(duì)空探測雷達(dá)。典型的對(duì)空探測雷達(dá)采用脈沖調(diào)制體制，其脈沖寬度為1.6μs，脈沖周期為80μs，其發(fā)射信號(hào)原理框圖如圖5所示。高頻振蕩器產(chǎn)生等幅信號(hào)，然后調(diào)制脈沖信號(hào)，通過放大系數(shù)調(diào)整輸出信號(hào)強(qiáng)度。發(fā)射信號(hào)ADS仿真模型如圖6所示。

2.3　調(diào)頻無線電高度表敏感特性仿真

聯(lián)合調(diào)頻無線電高度表仿真模型和雷達(dá)脈沖信號(hào)發(fā)射模型，仿真分析調(diào)頻無線電高度表在遭受雷達(dá)脈沖信號(hào)干擾時(shí)的敏感特性，著重研究調(diào)頻無線電高度表在測量100m高度時(shí)，無線電高度表接收機(jī)受到雷達(dá)脈沖信號(hào)干擾時(shí)的敏感度。敏感度定義為調(diào)頻無線電高度表測高誤差等于10%時(shí)的雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)幅度。

圖7為調(diào)頻無線電高度表敏感特性分析原理框圖。如圖7所示，雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)從無線電高度表反射信號(hào)端口注入。圖8為給調(diào)頻無線電高度表敏感特性ADS仿真模型。

依次改變干擾信號(hào)頻率，從而得到調(diào)頻無線電高度表在各個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)干擾信號(hào)的敏感度(用電壓Vm表示)，如表1所示。仿真結(jié)果顯示，隨著雷達(dá)干擾脈沖信號(hào)幅度的增大，無線電高度表指示值也逐漸偏大。逐步增加雷達(dá)干擾脈沖信號(hào)，當(dāng)調(diào)頻無線電高度表指示值比實(shí)際值高10%時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)幅度即為表1所示的敏感度。

表1　調(diào)頻無線電高度表敏感度(仿真結(jié)果)

注：為了與表2試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，把電壓換算成功率P/dBmW

2.4　敏感特性分析

當(dāng)雷達(dá)脈沖信號(hào)進(jìn)入調(diào)頻無線電高度表接收通道時(shí)，通過對(duì)模型的每一級(jí)電路采集信號(hào)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)這種干擾信號(hào)經(jīng)過調(diào)頻無線電高度表的差拍檢波器電路后，無線電高度表的調(diào)頻信號(hào)就產(chǎn)生了畸變。圖9是在沒有雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)時(shí)，差拍檢波器的輸出信號(hào)，而圖10是施加雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)后差拍檢波器的輸出信號(hào)，相比而言，調(diào)頻信號(hào)上出現(xiàn)了許多毛刺，這是雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)的頻響特性。

這種存在毛刺的調(diào)頻信號(hào)通過限幅器后，致使脈沖數(shù)目增加，進(jìn)一步導(dǎo)致計(jì)算器輸出的差拍直流電壓增大，從而使調(diào)頻無線電高度表的讀數(shù)增大。圖11顯示的是沒有施加脈沖干擾信號(hào)時(shí)限幅器輸出的信號(hào)，而圖12顯示的則是施加雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)后限幅器輸出的信號(hào)。

3　敏感度試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)獲取無線電高度表對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的敏感特性，測試連接框圖如圖13所示。無線電高度表信號(hào)通過延遲線、濾波器、可變衰減器和耦合器到達(dá)接收端口，可變衰減器用于調(diào)節(jié)高度表發(fā)射信號(hào)，使高度表工作于靈敏度狀態(tài)。雷達(dá)脈沖干擾信號(hào)采用信號(hào)源模擬，通過耦合器進(jìn)入高度表接收端口，形成干擾。改變信號(hào)源信號(hào)強(qiáng)度，觀察高度表指示器的變化，當(dāng)指示器開始有變化時(shí)進(jìn)行文字和視頻記錄。

調(diào)頻無線電高度表敏感度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖干擾信號(hào)越強(qiáng)，高度指示越大，直至指示器指針達(dá)到滿刻度。

表2　調(diào)頻無線電高度表敏感度(試驗(yàn)結(jié)果)Table 2　Sensitivity of FM radio altimeter (test results)

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)頻無線電高度表的敏感度與仿真分析結(jié)果有一定偏差。這是由于測試樣本量限制，測試結(jié)果有一定隨機(jī)性；其次是由于實(shí)際設(shè)備元器件和仿真元器件存在差別，導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生誤差。對(duì)于安全級(jí)別高的航空電子設(shè)備，電磁兼容性中定義的安全裕度一般為16.5dB。仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果誤差在10dB以內(nèi)，且仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果中對(duì)無線電高度表的干擾影響趨勢是一致的，其結(jié)果是可信的。

4　結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)機(jī)載調(diào)頻無線電高度表會(huì)產(chǎn)生有害干擾。隨著雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度的不斷增加，對(duì)高度表正常工作影響越大，無線電高度表顯示相對(duì)高度示值不斷增大直至滿刻度。這對(duì)于進(jìn)近著陸階段的飛行器是非常危險(xiǎn)的，會(huì)危機(jī)飛行器的安全。因此，同頻段雷達(dá)的部署應(yīng)謹(jǐn)慎考慮機(jī)場進(jìn)近著陸安全。

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