某型無線電羅盤航電聯(lián)試不定向故障分析與排除研究

許海，許晨煜

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

無線電羅盤作為關鍵導航設備在飛機飛行尤其是起飛和降落階段扮演至關重要的作用，對飛行安全影響極大。該型無線電羅盤是全數(shù)字化的機載無線電導航設備，核心功能是連續(xù)自動地指示出飛機縱軸相對于選定塔臺（可以是導航臺或廣播電臺）坐標之間的航向角。它有收訊和羅盤兩種工作方式。工作在收訊狀態(tài)時，其作為一個中長波接收機；在羅盤狀態(tài)時，其顯示參考塔臺的相對方位信息。

1 故障現(xiàn)象

某架飛機無線電羅盤航電系統(tǒng)聯(lián)試時，發(fā)現(xiàn)當激勵信號小于10mV時，飛機羅盤指針始終不能指向設定的航向，且關斷信號時耳機噪音極大即無法靜噪。在內(nèi)場用檢測設備對無線電羅盤進行單部件測試，產(chǎn)品合格，定向、收訊功能均良好。耳機噪音實質(zhì)上是由聯(lián)試不定向引起的，故障即為航電聯(lián)試時不定向。

2 無線電羅盤原理簡介

2.1 無線電羅盤架構

該型無線電羅盤系統(tǒng)由垂直天線、天線放大器、環(huán)形天線、環(huán)匹配器、接收機、控制盒組成，其架構如圖1所示。

圖1 無線電羅盤系統(tǒng)架構

2.2 工作原理

控制盒被設置發(fā)送150～1750kHz頻率控制信號到接收機組件，接收機根據(jù)該頻率控制信號選通相應頻率的波道工作從而通過垂直天線和環(huán)形天線接收塔臺發(fā)送的相應頻率的含方位信息的信號。天線放大器將垂直天線接收的微弱信號按需要進行放大，兩種天線信號被環(huán)匹配器按設定的比例進行算數(shù)疊加生成含方位信息的調(diào)幅信號傳送至接收機。接收機由信道板、信息板、接口板、電源板、頻合板組成。接收機對該調(diào)幅信號進行濾波解調(diào)放大等信號處理，提取出方位信息和音頻信息傳遞至指示器和通話器。

3 故障分析

3.1 故障初步定位

根據(jù)羅盤工作原理和架構，列出該故障下的故障樹見圖2。

該產(chǎn)品故障為航電聯(lián)試故障，在內(nèi)場單部件測試狀態(tài)良好，定位、收訊功能均正常。由于可以判斷航電聯(lián)試設備、內(nèi)場測試設備性能均良好，分析原因，應當是航電聯(lián)試中的復雜電磁環(huán)境導致。這種情況下必須先根據(jù)故障樹串用模塊，將故障定位至某個具體的模塊。先后排除環(huán)形天線、垂直天線、環(huán)匹配器、指示器、天線放大器和控制盒的故障，最終更換接收機時，航電聯(lián)試故障消失——接收機引起了此次故障。接收機是無線電羅盤的核心，由五個獨立模塊組成。根據(jù)故障樹繼續(xù)進行排查，最終將故障定位于信道分機。

3.2 故障原因分析

下面從信道分機工作機理出發(fā)，對故障原因進行分析。

3.2.1 故障原因分析

信道分機實質(zhì)上承擔接收機的主要接收功能。繪出其原理框圖見圖3。

圖2 無線電羅盤航電聯(lián)試不定向故障樹

圖3 無線電羅盤接收機信道分機原理框圖

信道分機可視為接收機的模擬信號處理模塊，由自檢電路、七波段帶通濾波器、兩級混頻器、兩級中頻放大器、兩級晶體濾波器、同步檢波器、AGC電路、音頻放大電路組成。其也有收訊和定向兩種工作狀態(tài)，收訊狀態(tài)下接收信號是用1kHz基波對150～1750kHz載波信號的調(diào)幅信號，定向狀態(tài)下接收信號在收訊信號基礎之上疊加了90Hz方位信息。射頻信號經(jīng)過帶通濾波器后被15.15～16.75MHz本振信號上變頻成為15MHz調(diào)幅信號，濾波放大后稱為第1中頻信號，再經(jīng)混頻濾波放大后稱為第2中頻信號，為1kHz基波調(diào)制3.6MHz載波的調(diào)幅信號。第2中頻信號被同步檢波器解調(diào)，成為1kHz低頻信號，在定向狀態(tài)下為90Hz調(diào)制1kHz的調(diào)幅波，收訊狀態(tài)下僅有1KHz低頻信號，即為音頻信號。低頻信號有4個路徑：（1）被方位濾波器濾波留下90Hz方位信號；（2）被運放處理生成AGC增益電壓；（3）被比較器與固定電壓比較后輸出信號鎖定電壓；（4）去往音頻放大電路進行音量放大輸出。

3.2.2 故障排查

根據(jù)故障現(xiàn)象，該產(chǎn)品在專用測試設備上測試正常，聯(lián)試情況下不定向，考慮到聯(lián)試與專用測試設備的差異一是信號噪聲環(huán)境不同，二是通過天線模仿儀與羅盤產(chǎn)品連接的線纜長度不同，針對這兩個情況進行信號的測試。為了便于測試，加大輸入信號使聯(lián)試時天線模仿儀給出的信號盡可能與專用測試設備的輸入信號幅度相同。表1為內(nèi)場測試時輸入信號為10mV時的測試結果，表2為航電聯(lián)試環(huán)境下信道分機各測試點的測試結果。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，航電聯(lián)試和內(nèi)場測試同步檢波器輸出的信號基本接近，而當航電聯(lián)試天線模仿儀信號幅度小于10mV時無線電羅盤不工作，所有測試點均沒有有效信號。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，第一，信道分機接收前端至同步檢波器輸出的整個一段電路工作均是正常的；第二，航電聯(lián)試下信號幅度有衰減并且底噪明顯升高；第三，航電聯(lián)試小信號不定向且射頻前端信號完全消失，后級必然存在一個反饋環(huán)路至接收機組件中其他部件。

表1 內(nèi)場測試時信道分機各測試點信號和噪聲

表2 航電聯(lián)試時信道分機各測試點信號和噪聲

故障正是由航電聯(lián)試時復雜的電磁環(huán)境引起，且故障點位于圖3中比較器、方位濾波器、電壓轉(zhuǎn)換電路、音頻放大電路這四個單元電路中。

圖4 信道鎖定信號產(chǎn)生電路部分原理圖

結合信道分機工作原理，進行故障推演和模擬。設置天線模仿儀信號幅度為8mV，產(chǎn)品定向和收訊功能基本消失，羅盤不工作，產(chǎn)品有效信號與無效信號之比值即信噪比偏低致使羅盤不工作。前級對信道分機無輸入信號，此時必有一路控制信號給到接收機中其他部件，抑制接收信號。在信道分機中恰有這樣一個單元電路——產(chǎn)信道鎖定信號“信道鎖定TD_LOCK”的比較器電路?！靶诺梨i定TD_LOCK”高有效，從信道分機傳遞至信息分機，產(chǎn)生靜噪電壓“靜噪電平YBLOCK”來抑制音頻電壓。信道鎖定信號產(chǎn)生電路原理圖見圖4，靜噪抑制電路見圖5。靜噪原理是，同步檢波器以3.6MHz晶振發(fā)出的基準信號對3.6MHz第2中頻信號同步檢波，當?shù)?中頻信號的頻率和相位與基準信號一致則解調(diào)出的低頻信號（圖4）的直流電壓約為-0.8V；如果不一致則失調(diào)，低頻信號直流電壓仍為負值但幅度遠小于0.8V。當?shù)皖l信號直流電壓大小小于N9同相輸入端的直流電壓則信道鎖定信號是低電平，反之是高電平，即失調(diào)時信道鎖定信號為高，該高電平傳遞至信息分機，信息分機產(chǎn)生靜噪電平的“靜噪電平YBLOCK”（圖5）為低，將音頻放大器N17關斷，環(huán)路失鎖，音頻電壓消失，90Hz定向信號也消失。

圖5 靜噪抑制電路部分原理圖

因此圖4中比較器N9的輸入端3腳決定了信道分機允許的噪音水平，底噪過高則檢波器解調(diào)出的低頻信號直流分量幅度過高，因為該電壓為負值且位于運放反相輸入端，最終導致三極管V29導通，信道鎖定信道為高，環(huán)路失鎖。經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)當天線模仿儀信號大小10mV以上時同步檢波電路輸出低頻信號直流電壓大小為-0.78V左右，已非常接近靜噪電平-0.8V，會導致有效信號被當做噪音而被抑制。靜噪電平由RP3設置，是可調(diào)項，微調(diào)RP3將N9同相輸入端電壓調(diào)節(jié)為-0.85V，以確保底噪無影響。經(jīng)聯(lián)調(diào)測試，故障消失。

4 結語

這是一起典型的噪音引起的機上無線電設備工作異常的故障。飛機設備艙內(nèi)電磁環(huán)境復雜，一方面，無線電羅盤接收信號為μV級，中頻信號頻率為3.6MHz，對電磁兼容環(huán)境要求較高，其他信號輻射極易產(chǎn)生干擾；另一方面，相對于復雜的電磁環(huán)境和嚴格的性能要求，無線電羅盤本身性能逐漸衰減，器件可靠性降低。內(nèi)場測試僅僅只針對產(chǎn)品自身性能進行檢測，不能完全模擬機上電磁環(huán)境。航電聯(lián)試發(fā)揮了極其關鍵的作用，為飛行安全和作戰(zhàn)性能增加了一層保障。在飛機無線電設備的修理中，該類問題應該引起足夠重視。