雙余度調頻高度表的隔離度研究

呂百成

北京青云航空儀表有限公司，北京，101300

0 引言

根據飛行任務需要，多型飛機要求配套的無線電高度表使用雙余度的工作方式。高度表在雙余度安裝使用時對天線有較高的安裝距離及天線增益、方向性圖等設計要求，如果雙表的天線安裝距離較近，高度表易產生互相干擾的問題，導致無法正常測高。為解決這一問題，本文首先介紹了調頻高度表的工作原理及測高實現方式，然后分析了高度表雙余度使用時各信號的作用，在對信號干擾產生條件分析的基礎上，進行了相關的試驗測試，給出了調頻高度表雙余度使用過程中的隔離度要求[1]。

1 調頻連續波高度表工作原理及測高實現

高度表可以連續測量載體對地面或海面的相對高度。無線電測高技術發展成脈沖體制和調頻連續波體制兩類，調頻連續波高度表又可分為恒定周期體制和恒定差拍體制。其中恒定差拍調頻連續波、頻譜前沿探測的工作體制測量精度高、抗干擾能力強，特別適合用于中、低高度測量應用[2]。

恒定差拍體制調頻高度表一般有微波收發組件、低放鑒頻組件、伺服環路控制組件，經發射天線向地面發射經鋸齒波調制的射頻線性調頻波，當發射的時間為t1，該調頻波頻率為F1，經過一段時間τ后，從地面反射回來的信號經接收天線進入無線電高度表，頻率仍為F1，τ是往返飛機與地面之間（電磁波傳播）所需的時間，稱之為“渡越時間”。在t2（t2=t1+τ）時刻時，發射頻率從F1變為F2，高度表接收的信號與發射信號（頻率為F2）在混頻器內進行混頻，得到一個差頻信號fb（fb=F1-F1），差頻信號經過放大、增益控制、信號濾波、鑒頻等，提供輸出信號給伺服環路作為搜索/跟蹤及調整鋸齒波時間T的依據，使高度表進入跟蹤狀態，同時使差頻信號保持在某一恒定頻率，測量鋸齒波時間T，計算出當前高度[2-3]。圖1表示其測高工作原理。

根據直角三角形之間的關系，可以得出下列公式：

如果將系統的差拍頻率fb和頻偏ΔF保持為與高度無關的常數，而正比于高度變化的參數僅是發射機的頻率調制斜率（即周期），上述基本公式可寫成：

延遲時間τ由兩部分構成，一部分是與飛行高度成正比的延遲時間2h/c，另一部分是設備安裝延時Ti(包括高度表連接到天線的電纜長度以及飛機機輪高度),故：

其中：Ti為高度；Ti設備的安裝延遲AID（包括安裝電纜長度，天線間距，天線局地高度）；T頻率調制周期；c電磁波傳播速度；ΔF峰值之間的頻偏；fb差拍頻率。

2 雙表干擾分析

2.1 跟蹤工作時高度表A受到的干擾信號

高度表在雙余度使用時，如果兩組天線間距較小，則高度表之間會互相干擾，輸出錯誤高度。如在凈空試驗時，高度表會錯誤跟蹤高度[3]。

高度表雙余度安裝使用，正常跟蹤測高時的工作情況如圖2所示。高度表A接收的信號有T21、T24、S21、S24，其中：

T21是接收天線AT2接收的，經地面反射的發射天線AT1的發射信號。

T24是接收天線AT2接收的，經地面反射的發射天線AT4的發射信號。

S21是接收天線AT2接收的，未經地面反射的發射天線AT1的發射信號。

S24是接收天線AT2接收的，未經地面反射的發射天線AT4的發射信號。

對高度表A來講，以上信號中只有T21是含有高度信息的有效信號，其他均為干擾信號。只有高度表A跟蹤、測量T21信號才是正常跟蹤工作狀態，如果跟蹤、測量其他信號，則認為高度表A被干擾[5]。

2.2 干擾源信號的分析

2.2.1 同步的干擾情況

2.2.1.1 不干擾的充分條件

如果S24信號與高度表A的發射信號同步，混頻信號為f24，根據高度表工作原理，f24信號如果對高度表造成干擾，f24信號的頻率應在20kHz～30kHz范圍內，否則該信號將在低頻放大器中被濾波。

當f24信號的頻率在20kHz～30kHz范圍內時，如果f24信號經高度表A放大電路放大后不能使鑒頻器輸出達到跟蹤/搜索觸發器門限，那么，高度表A就不會對該信號進行跟蹤，反之造成干擾。

此時，高度表A對接收信號的放大增益取決于高度表A當前搜索測量高度。而高度表A此時的測量高度可能為任何值，所以高度表A對接收信號的放大增益可能為最小放大增益也可能為最大放大增益。

以最嚴酷情況即最大放大增益計，在同步狀態下，只要f24信號經最大放大增益放大后，達到跟蹤/搜索觸發器門限，則跟蹤/搜索信號跳轉，高度表進入鎖相狀態，伺服環路由跟蹤鑒頻器輸出，等待20ms后，跟蹤狀態有效，S24信號干擾成功。

如果f24信號經最大放大增益放大后不能達到跟蹤/搜索觸發器門限，那么S24信號一定不會造成干擾[4]。

那么S24信號不干擾的充分條件是：發射天線AT4與接收天線AT2之間的天線隔離度Lh14＞高度表A最大靈敏度Smax，或者考慮電纜衰減情況下高度表B“發”端與高度表A“收”端的設備隔離度大于高度表A最大靈敏度。

由此我們得到了信號不干擾的充分條件，但是高度表的最大靈敏度一般為＞124dB，而如果天線隔離度要達到124dB，則天線安裝間距要求＞4m，但是實際的安裝間距不需要這樣大就可不干擾工作，所以該條件不是S24信號不干擾的充分條件，對干擾現象需進一步研究。

2.2.1.2 同步干擾的可能性

在前節討論中的前提條件是S24信號與高度表A的發射信號同步，且混頻信號f24信號的頻率應在20kHz～30kHz范圍內。

高度表的發射信號是帶寬為10 0 M H z～150MHz的連續調頻波，每一次搜索中約100個不同的調頻鋸齒波，要求f24信號的頻率在20kHz～30kHz的范圍內，則高度表B與高度表A的同步概率為1%×10kHz/100MHz=0.000001，即百萬分之一。

那么如果出現上述情況，在同步的瞬間高度表A應該跟蹤/搜索信號跳轉，然后信號需保持20ms才確認跟蹤有效。在這20ms中f24信號需在20kHz～30kHz范圍內保持，而f24信號是由高度表A與高度表B的混頻信號，這就要求高度表A與高度表B的微波頻帶的不一致性小于10kHz/100MHz=0.0001，參照高度表微波組件調頻帶寬的非線性小于1.5%的最高工藝指標要求，可知兩只微波組件達到萬分之一的不一致性是不可能的。

即使有兩只微波組件達到萬分之一的不一致性，并且碰上了百萬分之一的同步概率，也只得到了20kHz～30kHz的f24信號，該信號將對高度表A進行伺服調整，伺服調整的結果將改變高度表A發射信號的調頻斜率從而使高度表A與高度表B由同步狀態轉為不同步狀態[5]。

綜上所述，同步干擾概率極低，并且同步干擾是不穩定狀態，所以同步干擾是不可能實現的，在使用中不需要考慮同步干擾的情況。

2.2.2 異步的干擾情況

S24信號與高度表A的發射信號異步時，最容易出現干擾的情況應是：

a)被干擾的高度表A對信號的放大量最大，即高度表A當前測量高度較高；

b)干擾信號S24在單位時間內與被干擾的高度表A的發射信號產生最多的20kHz～30kHz內的混頻信號，即高度表B當前測量高度極低。

在上述情況下，在高度表A與高度表B的鋸齒波相交時，高度表中A將產生20kHz～30kHz范圍內的混頻信號。在實際工作中，高度表最短鋸齒波約110us，休止期為220us，另外試驗測定每次混頻信號持續時間約70us。

如果混頻信號f24’經控制鑒頻器鑒頻輸出信號滿足跟蹤要求，則跟蹤/搜索信號由搜索狀態跳轉為鎖相，如果持續時間保持20ms，則高度表A轉為跟蹤狀態，被干擾。

2.2.3 T24信號與S24信號的關系

S24信號是高度表B的發射信號直接傳播到高度表A的，其能量大小是一定的，與飛行高度、姿態等無關，其與高度表A發射信號的同步關系是不確定的。

可見，對高度表A來講，S24信號和T24信號都是隨機干擾，區別只是能量大小不同。在一定高度以下時，T24信號能量大于S24信號，在高高度時，T24信號能量小于S24信號。

3 雙表干擾試驗

為模擬高度表在雙余度使用時的干擾情況，并測定隔離度要求，考慮進行高度表雙表收發直饋干擾試驗。

將高度表B的“發”端通過電纜及可變衰減器連接高度表A的“收”端，觀察高度表A的被干擾情況。其中電纜衰減和可變衰減器的衰減共同組成高度表A的“收”端與高度表B的“發”端之間的設備隔離度。兩只高度表均無閉合的信號回路，所以為搜索狀態，可認為模擬凈空輻射試驗或高空飛行狀態。

當高度表B“發”端與高度表A“收”端的設備隔離度大于95dB時，高度表A、B均一直為搜索狀態。逐漸減小可變衰減器衰減量，當高度表B“發”端與高度表A“收”端的設備隔離度小于95dB時，高度表A的狀態信號出現錯誤跳轉情況。

再次減小可變衰減器衰減量，當高度表B“發”端與高度表A“收”端的設備隔離度小于92dB時，高度表A有跟蹤狀態顯示及錯誤高度輸出[6]。

4 結語

根據調頻連續波高度表飛機上雙表實際安裝方式，進行了高度表正常跟蹤工作模式下的發射及接收信號的互擾情況分析，進行了接收信號的同步及異步干擾情況的分析，及雙表的直饋干擾試驗。可以得出調頻連續波高度表相同體制雙表工作時應滿足兩只高度表設備隔離度不小于95dB的要求。對于天線，應根據實際使用的裝機電纜不同長度的衰減、天線增益、方向性圖及實測隔離度數據綜合考慮，再確定天線的安裝間距，從而確定天線隔離度，使其滿足系統隔離高的要求。