机载调频无线电高度表敏感特性分析

何　丽，曾小军

(1.空军电磁频谱管理中心，北京 100843；2.北京航空工程技术研究中心，北京 100076)

0　引言

近些年来，由于频率资源的有限性、稀缺性不断增加，世界无线电大会(WRC)每4年会根据各国使用需求进行频谱划分修订，《中华人民共和国无线电频率划分使用规定》也会定期修订，多种业务共用频段已是必然。无线电高度表也需要与雷达等其他系统共用频段，这样可能会对无线电高度表产生干扰。在WRC工作组研究报告中，暂未查询到相关研究情况。

无线电高度表是一种测距导航设备，它利用雷达工作原理，以地面为反射体，在飞行器上发射电波，并接收地面的反射波以测定飞行器到地面的相对高度。当飞行器作低空飞行，尤其在进近着陆时，无线电高度表对保障飞行安全起着重要的作用。本文重点研究一种采用正弦波调制的调频无线电高度表对雷达脉冲信号的敏感特性，用以规范和指导对雷达的布局应用，评估两者的兼容性，确保飞行安全。

1　调频无线电高度表组成及其工作原理

1.1　调频无线电高度表组成

调频无线电高度表的基本组成如图1所示，它主要由6部分组成：发射和接收天线、调频发射机、混频器、放大器和限幅器、频率计(或计数器)以及指示器。调频发射机包括调制器和高频振荡器两部分，用于产生连续高频等幅波，其频率在时间上按三角、锯齿或按正弦规律变化，地面回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内。无线电高度表系统工作时需要两部天线，一部用于发射，一部用于接收。调频信号通过发射天线辐射出去，在无线电波传播到地面并返回到接收天线的这段时间内，发射信号频率较之回波信号频率已经有了变化，因此在混频器输出端便出现了差频电压，后者经放大、限幅后加到频率计上。由于差频电压的频率与测量高度相关，通过指示器可将该差拍电压转换为对应的高度指示值。

1.2　基本工作原理

调制信号为正弦波，发射频率、接收频率和差拍频率的变化情况如图2所示。发射频率为ft，可写为：

ft(t)=fc+Δfmcos2πFt

(1)

式中，F=1/T，为调制频率；Δfm为调频信号的最大频偏。

由此可得调频发射信号S为：

S=cosφt(t)
=cos(2πfct+mfsin2πFt)

(2)

经时间τ后，接收天线接收到的地面反射信号SR为：

SR=cos[2πfc(t-τ)+mfsin2πF(t-τ)]

(3)

则可得到发射信号和接收信号混频检波后差拍频率：

(4)

差拍频率的平均值Fbav为：

(5)

则有：

(6)

由此可得测量高度：

(7)

2　调频无线电高度表敏感度仿真分析

2.1　调频无线电高度表仿真建模

调频无线电高度表原理框图如图3所示，高频振荡器产生等幅信号，并调频于100Hz低频，形成无线电高度表调频发射信号，反射信号则是通过延迟器延迟获得。两路信号均通过放大系数来调节信号强度，然后送至差拍检波器进行差拍检波，输出带有差拍频率的信号，最后送至计算器，计算器根据差拍频率计算获取(按式(7)计算)高度值。图4是按照图3的原理框图采用Agilent公司的ADS软件实现的仿真分析模型。

2.2　雷达脉冲信号发射模型

现实中，对无线电高度表产生干扰输入的是一些对空探测雷达。典型的对空探测雷达采用脉冲调制体制，其脉冲宽度为1.6μs，脉冲周期为80μs，其发射信号原理框图如图5所示。高频振荡器产生等幅信号，然后调制脉冲信号，通过放大系数调整输出信号强度。发射信号ADS仿真模型如图6所示。

2.3　调频无线电高度表敏感特性仿真

联合调频无线电高度表仿真模型和雷达脉冲信号发射模型，仿真分析调频无线电高度表在遭受雷达脉冲信号干扰时的敏感特性，着重研究调频无线电高度表在测量100m高度时，无线电高度表接收机受到雷达脉冲信号干扰时的敏感度。敏感度定义为调频无线电高度表测高误差等于10%时的雷达脉冲干扰信号幅度。

图7为调频无线电高度表敏感特性分析原理框图。如图7所示，雷达脉冲干扰信号从无线电高度表反射信号端口注入。图8为给调频无线电高度表敏感特性ADS仿真模型。

依次改变干扰信号频率，从而得到调频无线电高度表在各个频率点对干扰信号的敏感度(用电压Vm表示)，如表1所示。仿真结果显示，随着雷达干扰脉冲信号幅度的增大，无线电高度表指示值也逐渐偏大。逐步增加雷达干扰脉冲信号，当调频无线电高度表指示值比实际值高10%时，对应的雷达脉冲干扰信号幅度即为表1所示的敏感度。

表1　调频无线电高度表敏感度(仿真结果)

注：为了与表2试验结果对比，把电压换算成功率P/dBmW

2.4　敏感特性分析

当雷达脉冲信号进入调频无线电高度表接收通道时，通过对模型的每一级电路采集信号，发现当这种干扰信号经过调频无线电高度表的差拍检波器电路后，无线电高度表的调频信号就产生了畸变。图9是在没有雷达脉冲干扰信号时，差拍检波器的输出信号，而图10是施加雷达脉冲干扰信号后差拍检波器的输出信号，相比而言，调频信号上出现了许多毛刺，这是雷达脉冲干扰信号的频响特性。

这种存在毛刺的调频信号通过限幅器后，致使脉冲数目增加，进一步导致计算器输出的差拍直流电压增大，从而使调频无线电高度表的读数增大。图11显示的是没有施加脉冲干扰信号时限幅器输出的信号，而图12显示的则是施加雷达脉冲干扰信号后限幅器输出的信号。

3　敏感度试验结果

通过试验获取无线电高度表对雷达脉冲信号的敏感特性，测试连接框图如图13所示。无线电高度表信号通过延迟线、滤波器、可变衰减器和耦合器到达接收端口，可变衰减器用于调节高度表发射信号，使高度表工作于灵敏度状态。雷达脉冲干扰信号采用信号源模拟，通过耦合器进入高度表接收端口，形成干扰。改变信号源信号强度，观察高度表指示器的变化，当指示器开始有变化时进行文字和视频记录。

调频无线电高度表敏感度试验结果如表2所示。试验中发现，当脉冲干扰信号越强，高度指示越大，直至指示器指针达到满刻度。

表2　调频无线电高度表敏感度(试验结果)Table 2　Sensitivity of FM radio altimeter (test results)

试验结果表明，调频无线电高度表的敏感度与仿真分析结果有一定偏差。这是由于测试样本量限制，测试结果有一定随机性；其次是由于实际设备元器件和仿真元器件存在差别，导致结果产生误差。对于安全级别高的航空电子设备，电磁兼容性中定义的安全裕度一般为16.5dB。仿真结果与实际测试结果误差在10dB以内，且仿真结果和实际测试结果中对无线电高度表的干扰影响趋势是一致的，其结果是可信的。

4　结论

通过研究发现，雷达脉冲调制信号对机载调频无线电高度表会产生有害干扰。随着雷达信号强度的不断增加，对高度表正常工作影响越大，无线电高度表显示相对高度示值不断增大直至满刻度。这对于进近着陆阶段的飞行器是非常危险的，会危机飞行器的安全。因此，同频段雷达的部署应谨慎考虑机场进近着陆安全。

[1]蔡成仁.航空无线电[M]. 北京:科学出版社, 1992.

CAI Cheng-ren. Aeronautical radio[M]. Beijing: Science Press,1992

[2]Barton D K. Radar system analysis and modeling[M]. Beijing:Electronics Industry Press, 2012.

[3]陈穷. 电磁兼容性工程设计手册[M].北京:国防工业出版社, 1993.

CHEN Qiong. Design handbook for electromagnetic compatibility [M]. Beijing: National Defense Industry Pre-ss, 1993.

[4]Skolnik M. Radar handbook(2rd)[M]. Beijing: Elect-ronics Industry Press, 2003.

[5]Stimson G W. Introduction to airborne radar(2rd)[M]. Beijing: Electronics Industry Press, 2003.

[6]毛士艺. 脉冲多普勒雷达[M]. 北京:国防工业出版社, 1990.

MAO Shi-yi. Pulsed Doppler radar[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1990.

[7]苏东林. 系统级电磁兼容性量化设计理论与方法[M]. 北京:国防工业出版社, 2015.

SU Dong-lin. Theory and methods of quantification design on system-level electromagnetic compatibility [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2015.