機場場面監視雷達的控制電路設計

邵 威，楊志謙

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088）

最近20年全球航空運輸業發展極其迅速，航空公司的規模日益壯大，導致機場內飛機起降次數猛增，如何在有限的空間、多變的天氣條件下管理好越來越多的飛機及相應增加的地服車輛，成為各國機場當局必須考慮的問題。

機場場面監視雷達是一種主動式微波監視設備，系統對機場場面目標的監視不需要被監視目標的合作，是一種重要的非合作目標監視設備。同時，該雷達的工作性能不受外部光照的影響，具備全天時監視的能力；基于電磁波具有的云、雨、霧等介質穿透能力，而具備全天候監視的能力。基于以上特性，機場場面監視雷達不僅在機場場面導航與控制系統（Surface Movement Guidance and Control System，SMGCS）中得到了廣泛的應用，也是先進的機場場面導航與控制系統（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，ASMGCS）的重要組成部分[1]。

中國民航“十二五”規劃（2011年至2015年）第六章第三節指出：“在飛行流量前20位的機場建設場面監視雷達，在雙跑道和多跑道運行的機場建設場面監視雷達和多點定位系統（Multilateration，MLAT），在特殊區域配置移動二次雷達”[2]。

2011年，國內烏魯木齊、西安、重慶、杭州、上海等多個機場對外發布了機場場面監視雷達的競標需求。2012年成都雙流機場計劃安裝兩部TERMA公司的SCANTER2001雷達，每部雷達監視一條跑道及其附屬區域[3]。據TERMA公司網站介紹，該公司在中國區域安裝和預計安裝的場面監視雷達已超過10部。

機場場面監視雷達對可靠性要求非常高，系統要求連續工作一年不停機，并且故障檢測切換時間小于1 s，這就對系統的可靠性設計提出很高的要求[4]。

本文從實際應用的需求出發，給出了機場場面監視雷達控制電路的特點，研究了電路設計及元器件選用的基本原則，詳細闡述了提高電路可靠性的方法。

1 控制電路設計原則

1.1 控制電路的特點

機場場面監視雷達主要包括電源系統、天線系統、數字系統和發射機等設備組成。控制電路主要任務是采集各個分系統的狀態參數，并根據各個狀態參數的變化對各個分系統發送控制指令，包括發射開關機、天線旋轉啟停、備份設備切換、雷達復位等關鍵指令。具體控制電路的功能框圖如圖1所示。

控制電路可靠性的關鍵在于保證控制電路不會受到其他分系統故障的影響的同時，能夠正確檢測當前的各個系統的狀態參數，并做出正確的控制和調節[5]。

1.2 設計原則

控制電路可靠性的高低和使用的元器件關系很大，并不是越貴越好，應該根據使用環境去選擇最合適的元器件[6]。在一般情況下，以保證控制電路的基本功能為前提，可以按照以下幾點要求設計。

圖1 控制電路功能框圖Fig.1 Functional block diagram of control circuit

1）盡可能選用數字元器件，少用或者不用模擬器件；多選用集成度較高的器件，少用集成度較低的器件；盡量使用功耗小的元器件。

2）盡量選用質量等級高的器件，將繼電器、開關等器件的使用數量降至最低。

3）選用無源器件，盡量少使用有源器件。

5）應該根據介質損耗、頻率、耐壓、容量變化以及溫度系數等指標選擇電容。少用鋁電解電容器；

6）不選用未經設計定型的新研元器件、已停產或將要停產的電子元器件。

7）在確定合適的器件后，在使用時應符合降額設計的要求，不同的器件，降額的方法是不同的[7]。基本方法如下：

①電阻的降額方法是降低功率比；

②電容是降低工作電壓；

③半導體器件的降額方法是降低工作功耗；

④數字集成電路則通過降低周圍環境溫度和電負荷來降額。

2 電路可靠性設計

2.1 電源保護電路設計

場監雷達控制電路的供電電源可能傳輸距離較遠，為了減少線路上的衰減，應采用較大電壓（12 V以上）的直流電源輸入，同時在控制電路的電源輸入點進行相應的保護設計，如圖2所示。

圖2 電源保護電路Fig.2 Protection circuit of power supply

因為12 V電壓較大，防止出現短路時對電路造成較大傷害，故在輸入端串聯自恢復保險絲。控制電路一般需要5 V和3.3 V的電源品種，所以采用LDO器件進行電壓轉換。因為5 V電壓會輸出到其他接口，在極限情況下會因為外界的影響導致電壓出現波動，而添加穩壓二極管2CW5232可以對電路起到保護作用。穩壓二極管工作于反向擊穿區，當穩壓二權管兩端的反向電壓在—定范圍內變化時，反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，流過穩壓管的反向電流突然劇增，穩壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內變化，但穩壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩壓管在電路中能起穩壓作用。穩壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，當去掉反向電壓之后，穩壓管又恢復正常。

在該電路中，采用了雙電容串聯設計，因為電容損壞后的失效模型大多表現為短路，當電容損壞后，另一電容仍然可以起到濾波的作用。

2.2 輸入信號的隔離設計

控制電路為了避免被監測部件對自身的影響，對輸入信號均采用光耦進行隔離，如圖3所示。

圖3 輸入信號的光耦隔離Fig.3 Coupler isolation of input signal

在信號輸入端，為了對自身進行保護，利用二極管的單向導電性，對輸入電平進行了限位設計。如圖4所示。

圖4 輸入限位設計Fig.4 Design of limited input signal

二極管具有正向導通，反向截止的特性，利用這種特性，對輸入端的電平進行限位。當正常工作的時候，兩個二極管都處于截止狀態，當電壓不再正常范圍內時，其中一路二極管會導通，將電平拉到正常范圍內，可對板內的器件起到保護作用。

2.3 控制信號的冗余設計

控制電路負責雷達的天線轉動，發射開關機等關鍵控制，誤操作會帶來嚴重的后果，所以可靠性顯得尤為重要，根據二極管的PN結較大，不易被擊穿的特點，采用二極管來實現輸出信號的冗余設計，具體設計如圖5所示。

從FPGA的兩個引腳中輸出同一信號，經過驅動后，分別通過兩個二極管后并聯在一起，通過一個下拉電阻（等效阻值為10 kΩ）后，輸出給被控制件，具體分析如下：

圖5 控制信號的冗余設計Fig.5 Redundancy design of control signal

1）正常工作時，雙路同時輸出到一點，因為二極管的單向導電性，從最大程度上阻止了輸出端的電流倒灌，保護了接口芯片；

2）當并聯輸出的兩路，任何一路發生斷路時，二極管的正向壓降不足以使二極管導通，則該路的二極管一直處于截止狀態，同時，另外一路可正常工作。

3）當并聯的兩路任何一路發生短路時，并且為低電平時，該路的二極管的正向壓降不足以使二極管導通，則該路的二極管一直處于截止狀態，同時，另外一路可正常工作。

4）當并聯的兩路任何一路發生短路時，并且為高電平時，該路的二極管一直處于導通狀態，輸出恒為高，造成的結果就是機箱監控一上電，該路的輸出電平恒為高，此時會出現故障。在這種情況下，可通過回讀到FPGA里的信號判斷出哪路發生故障，并對相應故障路的buffer器件使能信號進行自動關閉，同時另外一路可以進行正常的控制。

5）綜上所述，本電路只有在兩路同時故障時，輸出才會表現為故障，相對于單路輸出控制電路，實現了熱冗余設計，可靠性大大提升。

3 結束語

場面監視雷達是一種主動探測雷達，對于保證機場內部的交通安全具有重要的意義，需要長周期、全天時工作，而控制電路作為雷達的“大腦”，其自身的可靠性和控制的準確性都顯得尤為重要。本文根據場監雷達的特點及工程需求分析了控制電路的設計需求，提出了提高控制電路可靠性的設計方法及工程實現技術。這些技術很好的解決了控制電路長時間可靠穩定工作的要求。

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