機載調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(WRC)每4年會根據各國使用需求進行頻譜劃分修訂，《中華人民共和國無線電頻率劃分使用規定》也會定期修訂，多種業務共用頻段已是必然。無線電高度表也需要與雷達等其他系統共用頻段，這樣可能會對無線電高度表產生干擾。在WRC工作組研究報告中，暫未查詢到相關研究情況。

無線電高度表是一種測距導航設備，它利用雷達工作原理，以地面為反射體，在飛行器上發射電波，并接收地面的反射波以測定飛行器到地面的相對高度。當飛行器作低空飛行，尤其在進近著陸時，無線電高度表對保障飛行安全起著重要的作用。本文重點研究一種采用正弦波調制的調頻無線電高度表對雷達脈沖信號的敏感特性，用以規范和指導對雷達的布局應用，評估兩者的兼容性，確保飛行安全。

1　調頻無線電高度表組成及其工作原理

1.1　調頻無線電高度表組成

調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：發射和接收天線、調頻發射機、混頻器、放大器和限幅器、頻率計(或計數器)以及指示器。調頻發射機包括調制器和高頻振蕩器兩部分，用于產生連續高頻等幅波，其頻率在時間上按三角、鋸齒或按正弦規律變化，地面回波和發射機直接耦合過來的信號加到接收機混頻器內。無線電高度表系統工作時需要兩部天線，一部用于發射，一部用于接收。調頻信號通過發射天線輻射出去，在無線電波傳播到地面并返回到接收天線的這段時間內，發射信號頻率較之回波信號頻率已經有了變化，因此在混頻器輸出端便出現了差頻電壓，后者經放大、限幅后加到頻率計上。由于差頻電壓的頻率與測量高度相關，通過指示器可將該差拍電壓轉換為對應的高度指示值。

1.2　基本工作原理

調制信號為正弦波，發射頻率、接收頻率和差拍頻率的變化情況如圖2所示。發射頻率為ft，可寫為：

ft(t)=fc+Δfmcos2πFt

(1)

式中，F=1/T，為調制頻率；Δfm為調頻信號的最大頻偏。

由此可得調頻發射信號S為：

S=cosφt(t)
=cos(2πfct+mfsin2πFt)

(2)

經時間τ后，接收天線接收到的地面反射信號SR為：

SR=cos[2πfc(t-τ)+mfsin2πF(t-τ)]

(3)

則可得到發射信號和接收信號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　調頻無線電高度表敏感度仿真分析

2.1　調頻無線電高度表仿真建模

調頻無線電高度表原理框圖如圖3所示，高頻振蕩器產生等幅信號，并調頻于100Hz低頻，形成無線電高度表調頻發射信號，反射信號則是通過延遲器延遲獲得。兩路信號均通過放大系數來調節信號強度，然后送至差拍檢波器進行差拍檢波，輸出帶有差拍頻率的信號，最后送至計算器，計算器根據差拍頻率計算獲取(按式(7)計算)高度值。圖4是按照圖3的原理框圖采用Agilent公司的ADS軟件實現的仿真分析模型。

2.2　雷達脈沖信號發射模型

現實中，對無線電高度表產生干擾輸入的是一些對空探測雷達。典型的對空探測雷達采用脈沖調制體制，其脈沖寬度為1.6μs，脈沖周期為80μs，其發射信號原理框圖如圖5所示。高頻振蕩器產生等幅信號，然后調制脈沖信號，通過放大系數調整輸出信號強度。發射信號ADS仿真模型如圖6所示。

2.3　調頻無線電高度表敏感特性仿真

聯合調頻無線電高度表仿真模型和雷達脈沖信號發射模型，仿真分析調頻無線電高度表在遭受雷達脈沖信號干擾時的敏感特性，著重研究調頻無線電高度表在測量100m高度時，無線電高度表接收機受到雷達脈沖信號干擾時的敏感度。敏感度定義為調頻無線電高度表測高誤差等于10%時的雷達脈沖干擾信號幅度。

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

依次改變干擾信號頻率，從而得到調頻無線電高度表在各個頻率點對干擾信號的敏感度(用電壓Vm表示)，如表1所示。仿真結果顯示，隨著雷達干擾脈沖信號幅度的增大，無線電高度表指示值也逐漸偏大。逐步增加雷達干擾脈沖信號，當調頻無線電高度表指示值比實際值高10%時，對應的雷達脈沖干擾信號幅度即為表1所示的敏感度。

表1　調頻無線電高度表敏感度(仿真結果)

注：為了與表2試驗結果對比，把電壓換算成功率P/dBmW

2.4　敏感特性分析

當雷達脈沖信號進入調頻無線電高度表接收通道時，通過對模型的每一級電路采集信號，發現當這種干擾信號經過調頻無線電高度表的差拍檢波器電路后，無線電高度表的調頻信號就產生了畸變。圖9是在沒有雷達脈沖干擾信號時，差拍檢波器的輸出信號，而圖10是施加雷達脈沖干擾信號后差拍檢波器的輸出信號，相比而言，調頻信號上出現了許多毛刺，這是雷達脈沖干擾信號的頻響特性。

這種存在毛刺的調頻信號通過限幅器后，致使脈沖數目增加，進一步導致計算器輸出的差拍直流電壓增大，從而使調頻無線電高度表的讀數增大。圖11顯示的是沒有施加脈沖干擾信號時限幅器輸出的信號，而圖12顯示的則是施加雷達脈沖干擾信號后限幅器輸出的信號。

3　敏感度試驗結果

通過試驗獲取無線電高度表對雷達脈沖信號的敏感特性，測試連接框圖如圖13所示。無線電高度表信號通過延遲線、濾波器、可變衰減器和耦合器到達接收端口，可變衰減器用于調節高度表發射信號，使高度表工作于靈敏度狀態。雷達脈沖干擾信號采用信號源模擬，通過耦合器進入高度表接收端口，形成干擾。改變信號源信號強度，觀察高度表指示器的變化，當指示器開始有變化時進行文字和視頻記錄。

調頻無線電高度表敏感度試驗結果如表2所示。試驗中發現，當脈沖干擾信號越強，高度指示越大，直至指示器指針達到滿刻度。

表2　調頻無線電高度表敏感度(試驗結果)Table 2　Sensitivity of FM radio altimeter (test results)

試驗結果表明，調頻無線電高度表的敏感度與仿真分析結果有一定偏差。這是由于測試樣本量限制，測試結果有一定隨機性；其次是由于實際設備元器件和仿真元器件存在差別，導致結果產生誤差。對于安全級別高的航空電子設備，電磁兼容性中定義的安全裕度一般為16.5dB。仿真結果與實際測試結果誤差在10dB以內，且仿真結果和實際測試結果中對無線電高度表的干擾影響趨勢是一致的，其結果是可信的。

4　結論

通過研究發現，雷達脈沖調制信號對機載調頻無線電高度表會產生有害干擾。隨著雷達信號強度的不斷增加，對高度表正常工作影響越大，無線電高度表顯示相對高度示值不斷增大直至滿刻度。這對于進近著陸階段的飛行器是非常危險的，會危機飛行器的安全。因此，同頻段雷達的部署應謹慎考慮機場進近著陸安全。

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