淺析M型下滑設備監控混合單元

摘要：本文首先介紹了儀表著陸系統M型下滑天線的監控系統組成。隨后從M型下滑天線的信號分配關系出發，論述了監控混合單元產生監控信號的基本原理，并以Normarc7033B設備為例，分別說明了航道、寬度和余隙監控信號合成的電路實現方式。最后，本文例舉了不同天線通路的相位和幅度變化對監控參數的影響，為技術人員排除下滑天線通路故障提供了一定的思路。

關鍵詞：儀表著陸系統;下滑信標;M型下滑天線;監控混合單元

1.M型下滑天線監控系統簡介

儀表著陸系統下滑信標天線系統主要分為零基準、邊帶基準和M型三種。相比前兩種天線系統，M型下滑天線采用航道和余隙雙頻發射系統，在滿足覆蓋要求的前提下，對地面障礙物和地形的反射具有更好的抗干擾能力，因此廣泛應用于我國各機場的儀表著陸系統下滑設備中。

M型下滑天線的監控系統由航道（CL）寬度（DS）余隙（CLR）和近場（NF）四個監控通道組成，其中CL、DS及CLR三個監控信號由饋送至天線的發射信號耦合一部分后經監控混合單元（MCU）合成后產生，主要用于監控饋送至天線的發射信號是否正常。CL通道用于監控下滑道上的信號，對應的仰角為下滑角θ，通常為3°;DS通道用于監控下半寬的信號，對應的仰角為0.88θ;CLR用于監控余隙信號占優的低角度區域信號，對應的仰角為0.3θ。NF信號由近場監控天線接收下滑天線輻射的信號后產生，主要用于監控外場輻射信號是否正常，它與下滑天線掛高和偏置、下滑天線前方反射場地情況等因素密切相關。四個監控信號互為補充，確保了下滑監控系統的完整性和有效性。

2.M型下滑設備監控混合單元原理分析

M型下滑天線系統各天線的幅度和相位分配關系如表1所列：

單個下滑天線經過地面反射后在不同仰角上的信號表達式為：

其中A為相對幅度，H為天線掛高，α為仰角，φ為初始相位。

一般情況下，M型下滑天線系統上、中、下三副天線的高度比應滿足3：2：1，根據表1所列的幅度和相位分配關系可得仰角α上三副天線的合成CSB、SBO和CLR信號表達式如下，由此可得不同仰角上合成CSB、SBO、CLR信號的幅度變化如圖1所示。

下滑監控混合單元通過模擬不同仰角處的下滑輻射信號來產生監控信號。由于其輸入信號取自三副天線饋電信號的耦合，因此必須掌握三副天線在不同仰角上的幅度和相位變化情況。三副天線在不同仰角上的歸一化幅度如圖2所示，CL、DS及CLR三個監控通道對應仰角的歸一化幅度和相位如表2所列。

結合圖2和表2的結果可以看出，在CL監控通道對應的仰角θ位置，中天線信號幅度恰好為零，上天線與下天線幅度相同，相位相反，因此CL監控信號可通過使上天線信號與反相后的上天線信號相加來產生。參考表1的分配關系可以發現，下天線與上天線分配的SBO和CLR信號幅度和相位相同，因此下天線與上天線反相后的信號相加后，SBO和CLR信號均相互抵消，實際產生的CL監控信號即下天線中CSB信號的耦合。同理，按照表2給出的DS與CLR監控通道對應的三副天線幅度和相位關系可以模擬得到0.88θ及0.3θ仰角位置的合成信號。

3.監控混合單元的電路實現

下面以Normarc7033B下滑信標設備為例來說明M型下滑天線系統監控混合單元的電路實現方式。圖3為Normarc 7033B下滑監控混合單元的電路組成。

實際電路中，上天線耦合信號通過移相器PH1和可調衰減器AT1，并由功分器分為幅度相同的3路信號（A3-1、A3-2、A3-3）。中天線耦合信號通過移相器PH2和可調衰減器AT2，并由功分器分為幅度相同的2路信號（A2-1、A2-2）。下天線則直接由功分器分為幅度相同的3路信號（A1-1、A1-2、A1-3）。

從表2可知，CL監控信號對應的仰角處中天線信號幅度為0，且上天線與下天線信號幅度相同，相位相反，因此A3-1信號經過180°移相后與A1-1相加產生CL監控信號。DS監控信號對應的仰角處下天線幅度最大，因此A1-2信號與經AT3衰減的A2-1及經AT4衰減并移相180°的A3-2信號相加產生DS監控信號。在CLR監控信號合成電路中，中天線A2-2信號經AT7衰減后通過移相器PH3，并與經AT5衰減的A1-3及經AT6衰減的A3-3信號相加產生CLR信號。

在Normarc7033B設備監控混合單元調試過程中，通常依次調整PH1、AT1、PH2、AT2及PH3共5個可調器件。從圖3可以看出，上天線信號通路中的PH1及AT1與CL、DS、CLR三路監控信號合成均直接相關，必須首先調整到位。中天線信號通路中的PH2及AT2與DS及CLR信號合成相關，作為第二步完成調整。A2-2通路中的PH3僅與CLR信號合成相關，因此最后進行調整。

4.下滑天線通路故障分析

儀表著陸系統下滑信標各類設備故障中，天線通路的幅度和相位變化引起的監控參數波動往往難以快速確定故障點。發射電纜、監控電纜以及電纜頭連接等天線通路中的任何一個環節都可能造成某一副天線通路的相位和幅度發生變化，進而使監控參數發生波動。上、中、下三副天線通路的相位和幅度改變時，CL、DS、CLR三個監控信號的DDM及RF參數變化情況如表3及表4所列。

從表3的結果來看，下天線通路的相位變化對CLR監控參數影響較大，相位變化20°將造成CLR告警，同時CL和DS監控參數也有一定的變化。中天線通路的相位變化同樣會造成CLR監控參數波動，其影響比下天線更大，但對DS影響較小，且不會使CL發生變化。上天線通路的相位變化造成監控參數波動較小，其對CL的影響與下天線相當，對DS的影響最小。總體來看，CL監控參數會受到上、下天線相位變化的影響，DS監控參數受下天線相位變化的影響最大，受上天線相位變化的影響最小，而CLR監控參數則對中、下天線的相位變化較為敏感。

從表4的結果來看，下天線耦合信號幅度降低1dB后，三個監控信號的RF值均有明顯下降，其中CLR已超出告警門限。同時，DS的DDM參數變化較大而告警，而CLR的DDM參數幾乎沒有變化。中天線耦合信號幅度降低1dB后，CL監控參數保持不變，CLR監控參數變化較大，但未達到告警門限，DS監控參數則變化較小。上天線耦合信號幅度降低1dB后，三個監控信號的RF值變化不大，CL及DS的DDM參數有一定波動。若將下天線通路斷開，則CL、DS、CLR參數均出現告警，DDM和RF都有大幅變化。若將中天線通路斷開，CL監控參數仍保持不變，DS與CLR監控參數將出現告警，尤以CLR參數變化幅度更大。上天線通路斷開后，CL、DS、CLR參數均出現告警，但整體參數變化幅度較下天線的影響小。總體來看，CL監控參數對下天線耦合信號幅度變化較為敏感。三副天線耦合信號幅度變化對DS及CLR監控信號都有一定影響，其中DS受下天線影響較大，CLR則受中天線影響較大。

實際設備排故過程中，若不了解下滑監控信號的合成原理，可能會出現判斷錯誤。例如，CLR監控信號的DDM和RF參數出現較大波動，其他監控參數無明顯變化時，可能會因為中天線不輻射余隙信號而首先排除中天線通路存在問題的可能，反將排查重點放在上天線和下天線通路上。然而在實際合成CLR監控信號的過程中，中天線起到了關鍵的作用。由于中天線的SBO信號幅度最大，即使在0.3θ余隙信號占主導的低仰角區域，其通路相位或幅度發生變化仍然會使CLR監控信號的DDM和RF產生波動。從表3和表4的結果顯示，相比實際輻射余隙信號的上天線和下天線，中天線通路相位和幅度變化對CLR監控信號的影響最大。必須注意的是，表3和表4所列的結果是建立在每次飛行校驗后設備監控參數都經過校準的前提下得到的。若設備監控參數沒有得到適當的校準，則很可能無法及時對發射信號的變化做出必要的反應，從而導致設備輻射錯誤信號并產生嚴重的安全風險。

參考文獻：

[1]金遼.儀表著陸系統原理[M].上海：民航華東空中交通管理局，2006.

[2]ILS PRINCIPLES AND EQUIPMENT THEORY[M]. Norway：Park Air Systems AS，2000.

作者簡介：陸冉菁（1975.03--）;性別：男，籍貫：上海市人，民族：漢族，學歷：本科，畢業于上海大學;現有職稱：工程師;研究方向：無線電導航;單位及郵編：中國民用航空華東地區空中交通管理局設備維修中心 201702。