雙通道（正交）零差接收器的精確無線電高度儀設(shè)計(jì)

這是我在Matja?Vidmar網(wǎng)站上找到的一個(gè)簡潔項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)帶有雙通道（正交）零差接收器的精確無線電高度儀。在采用標(biāo)準(zhǔn)4.3GHz無線電高度表分配時(shí)，這一新設(shè)計(jì)提高了精度。新的無線電高度儀旨在用作小型通用航空飛機(jī)，實(shí)驗(yàn)飛機(jī)和無人機(jī)的著陸輔助設(shè)備，并配備了簡單的合成語音人機(jī)界面。

航空無線電高度儀通常被設(shè)計(jì)為工作在4.2-4.4GHz頻段的短程FM雷達(dá)[1]。它們的主要應(yīng)用是儀表化進(jìn)近和大型商用飛機(jī)的著陸。由于在4.3GHz頻帶中200MHz的可用帶寬有限，航空高度計(jì)的精度和分辨率通常限制在幾英尺。即使對(duì)于大型商用噴氣飛機(jī)的自動(dòng)著陸操作期間的耀斑，該精度也被認(rèn)為是足夠的。

大多數(shù)設(shè)計(jì)工作都用于開發(fā)高度可靠的無線電高度計(jì)，該高度計(jì)允許在同一架飛機(jī)上同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)或三個(gè)儀器。盡管已投入大量精力開發(fā)單天線無線電高度儀，但大多數(shù)航空無線電高度儀都具有獨(dú)立的發(fā)射和接收天線[2]。

無線電高度計(jì)在小型飛機(jī)上使用不多，因?yàn)樾⌒惋w機(jī)通常在視覺氣象條件下運(yùn)行。由于小型飛機(jī)的進(jìn)場(chǎng)速度和著陸速度是大型噴氣機(jī)的三至四倍，因此小型飛機(jī)的自動(dòng)著陸需要相對(duì)更精確的高度計(jì)。當(dāng)前的航空無線電高度儀不夠精確，無法在小型飛機(jī)起火期間提供有用的信息。

然而，著陸不良無疑是導(dǎo)致小型飛機(jī)事故的第一大原因。他們的“周末”飛行員的技能幾乎無法與商業(yè)航空公司的專業(yè)人員相提并論。夜間著陸，惡劣天氣下的能見度差，大風(fēng)和狂風(fēng)，高壓電纜等局部危險(xiǎn)障礙物分散了飛行員的注意力，或者僅是疲倦的飛行員和長途旅行后生病的乘客，都可能導(dǎo)致飛機(jī)著陸不良。無論是滑翔機(jī)飛機(jī)緊急降落還是發(fā)動(dòng)機(jī)故障后的緊急降落，都更加困難。在后一種情況下，飛行員在沒有已知參考點(diǎn)的情況下估計(jì)其飛機(jī)在水（海）面或任何其他景觀上的高度特別困難。

新型復(fù)合材料使飛機(jī)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒖諝鈩?dòng)力學(xué)性能推向極限，從而最大程度地提高滑行率，燃油效率和/或航程。這些新飛機(jī)不再像圖1所示的那樣易于著陸。在所有這些情況下，精確的無線電高度儀可以解決許多問題，從而有效地防止了著陸事故和/或起落架的不必要磨損。

無線電高度計(jì)操作

無線電高度儀的工作原理在圖2上進(jìn)行了說明。航空無線電高度儀是短距離，低功率，連續(xù)波雷達(dá)，通常需要兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)射和接收天線。無線電波的傳播延遲通常太短，無法在發(fā)射器和接收器之間切換單個(gè)天線。

為了正確運(yùn)行，無線電高度儀的接收天線應(yīng)僅從跑道接收反射信號(hào)，并避免無線電信號(hào)直接來自發(fā)射天線。無線電高度計(jì)天線必須廣泛分開，以避免兩個(gè)天線之間發(fā)生不必要的串?dāng)_。盡管串?dāng)_的電子濾波允許設(shè)計(jì)單天線無線電高度計(jì)，但后者的操作通常限于指定的最低高度以上。

大多數(shù)航空無線電高度儀都是調(diào)頻雷達(dá)。發(fā)射機(jī)的載波頻率在給定的頻率范圍內(nèi)連續(xù)掃描。由于接收信號(hào)被延遲，因此接收頻率與發(fā)送器不同。如果發(fā)射器頻率的變化率是恒定的，則延遲和高度因此直接與發(fā)射器和接收器之間測(cè)得的頻率差成正比。

傳統(tǒng)的FM無線電高度儀的設(shè)計(jì)如圖3所示。掃描波形為三角形，兩個(gè)斜率通常用于高度測(cè)量，以補(bǔ)償由于飛機(jī)垂直速度而引起的多普勒頻移。掃描頻率通常在50Hz至300Hz之間。接收器的熱噪聲施加了較高的限制，下限是無線電高度儀消除飛機(jī)下降或爬升時(shí)多普勒頻移的能力。

大多數(shù)航空無線電高度儀在4.2-4.4GHz頻段內(nèi)運(yùn)行。在可用的200MHz中，通常僅使用大約150MHz的中央部分。4.3GHz（7cm）頻段是可用帶寬（測(cè)量精度）和跑道或其他反射目標(biāo)的表面粗糙度之間的折衷方案。

發(fā)射器功率范圍從10mW（+ 10dBm）到500mW（+ 27dBm）。發(fā)射和接收天線的方向性都被限制在大約10dBi，以允許無線電高度儀在飛機(jī)的適當(dāng)俯仰角和傾斜角下運(yùn)行。

接收器是零差設(shè)計(jì)，使用混頻器來得出發(fā)射頻率和接收頻率之間的差異。拍頻通常小于1MHz。發(fā)射器信號(hào)的一部分也用作接收器的本地振蕩器。一些無線電高度計(jì)設(shè)計(jì)可能僅使用發(fā)射天線和接收天線之間的串?dāng)_在接收混頻器中饋送LO信號(hào)。

拍頻信號(hào)首先被濾波，然后被放大和限制。頻率計(jì)數(shù)器可驅(qū)動(dòng)高度指示器和各種高度警報(bào)（如果需要）。當(dāng)然，必須從測(cè)得的高度中減去飛機(jī)的安裝延遲（主要是將天線連接至無線電高度儀的電子設(shè)備的電纜）。

無線電高度儀的精度和分辨率受可用RF帶寬的限制，如圖4所示。對(duì)于給定的頻率掃描，電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一定的拍頻，并具有可以計(jì)數(shù)的有限數(shù)量的躍遷。隨著測(cè)得的高度變化，拍子模式會(huì)發(fā)生變化，并且計(jì)數(shù)器結(jié)果實(shí)際上會(huì)在兩個(gè)相鄰值之間產(chǎn)生幾次振蕩。

有多種方法可以提高無線電高度儀的精度和分辨率。最簡單的解決方案是將頻率掃描增加到[400]中所建議的400MHz。更好的解決方案是在主三角波掃描中添加一個(gè)低頻（約10Hz）三角抖動(dòng)波形。這樣，在幾次測(cè)量中，兩個(gè)相鄰值之間的振蕩就被平均了，但是抖動(dòng)需要一些額外的帶寬！

在[4]中建議并在本文中描述的解決方案是正交添加第二個(gè)接收通道。這樣，可用轉(zhuǎn)換的數(shù)量就增加了一倍，并且精度和分辨率提高了兩倍。此外，低頻抖動(dòng)幅度可以減半，從而減少了抖動(dòng)的帶寬浪費(fèi)。最后，反正需要零差接收器的正交設(shè)計(jì)才能從接收到的信號(hào)中提取所有可用信息！

無線電高度計(jì)設(shè)計(jì)

開發(fā)并制造了帶有雙通道（正交）零差接收器的精確無線電高度儀。該無線電高度儀的主要應(yīng)用是在小型飛機(jī)著陸期間幫助飛行員。圖5給出了這種新設(shè)計(jì)的框圖。

發(fā)送器調(diào)制器包括兩個(gè)三角振蕩器：150Hz的主掃描和15Hz的抖動(dòng)。抖動(dòng)幅度設(shè)置為主掃描幅度的大約10％。這兩個(gè)波形的總和被直接施加到在4.3GHz下工作的微波VCO。VCO在反饋中包括一個(gè)BFP420放大器和一個(gè)叉指濾波器。由于掃描范圍相對(duì)較窄，只有中央微帶諧振器通過單個(gè)BBY51變?nèi)?a target="_blank">二極管進(jìn)行調(diào)諧[5]。

VCO之后是兩個(gè)放大器緩沖器級(jí)，使用另一個(gè)BFP420雙極晶體管和MGF4918 HEMT。后者在4.3GHz時(shí)產(chǎn)生約40mW（+ 16dBm）的RF功率。該信號(hào)的大部分被饋送到發(fā)射天線，而一小部分（約一毫瓦）被耦合并通過低通濾波器發(fā)送，以提供零差本機(jī)振蕩器。

接收器RF前端包括一個(gè)單級(jí)LNA，另一個(gè)MGF4918 HEMT和兩個(gè)正交的IAM81008平衡混頻器。RF和LO信號(hào)由兩個(gè)Wilkinson混合器分離。使用不同長度的微帶線來獲得所需的相移。在此應(yīng)用中，（現(xiàn)在已經(jīng)過時(shí)的）IAM81008混頻器的使用超出了其設(shè)計(jì)的頻率范圍，因此，接收器的總噪聲系數(shù)在15…20dB的范圍內(nèi)。

無線電高度儀的RF部分建立在兩個(gè)采用微帶技術(shù)的印刷電路板上（發(fā)射器和接收器）。每塊板長80mm，寬20mm。這兩塊板均在介電常數(shù)為2.43的19密耳厚的“ Ultralam 2000”特氟龍層壓板（羅杰斯）上進(jìn)行蝕刻。這兩塊板的上側(cè)均顯示在圖6中，而未蝕刻其下側(cè)以充當(dāng)微帶接地層。這兩塊板都焊接在由薄黃銅板制成的框架中以進(jìn)行屏蔽。

同相和正交差拍信號(hào)都經(jīng)過濾波和放大。雙通道放大器具有通用的AGC。必須謹(jǐn)慎選擇AGC時(shí)間常數(shù)，以最大程度地減少由于反射不良而導(dǎo)致信號(hào)丟失的影響。兩個(gè)施密特觸發(fā)器級(jí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈沖形成器電路消除了噪聲，該電路在兩個(gè)輸入信號(hào)中的任何一個(gè)信號(hào)的零交叉處產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖。

脈沖被饋送到在8位PIC 16F84微處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的門與主掃描或三角抖動(dòng)都不同步。但是，微處理器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字平均（濾波）。由于所涉及的頻率相對(duì)較低，因此對(duì)于PIC 16F84而言，20MHz的時(shí)鐘頻率綽綽有余。

測(cè)量結(jié)果顯示在4位數(shù)的LCD上：數(shù)百，數(shù)十和英尺單位，十進(jìn)制表示四分之一英尺。微處理器還從LCD上刪除了不必要的信息：十進(jìn)制在10英尺以上被空白，單位和十進(jìn)制在100英尺以上被空白。PIC 16F84的內(nèi)部EEPROM存儲(chǔ)了必須從測(cè)量結(jié)果中減去的飛機(jī)安裝延遲的偏移量。

在小型飛機(jī)快速而關(guān)鍵的耀斑中，數(shù)字顯示的用途有限。因此，無線電高度儀配備了圍繞ISD2560P語音記錄器芯片（模擬EEPORM存儲(chǔ)）構(gòu)建的語音合成器。ISD2560P包含21條預(yù)先錄制的語音消息，實(shí)際上只占用了芯片總存儲(chǔ)區(qū)域的不到一半。由PIC 16F84選擇指示當(dāng)前以英尺為單位的當(dāng)前高度的實(shí)際消息，然后由ISD2560P播放該消息到揚(yáng)聲器，或者更好地播放到飛機(jī)上的對(duì)講機(jī)。

無線電高度儀原型的電子封裝長140mm，寬66mm，高42mm，如圖7和8所示。封裝的橫截面主要由前面板LCD的尺寸決定。調(diào)制器，發(fā)射器和接收器RF級(jí)位于底部，如圖7所示。兩個(gè)天線都使用SMA連接器，以保持重量和尺寸盡可能小，以代替常用的TNC。

如圖8所示，雙通道IF信號(hào)放大和處理，微處理器和語音合成器位于頂部。由于PIC 16F84和ISD2560P在實(shí)驗(yàn)期間必須重新編程幾次，因此采用雙列直插式封裝這兩款芯片中的一半都安裝在原型的插槽中。當(dāng)然，其余的大多數(shù)組件都是SMD，它們放置在單面印刷電路板的銅側(cè)。

補(bǔ)償飛機(jī)安裝延遲的偏移量通過后面板上的單個(gè)按鈕設(shè)置。快速按下此按鈕僅會(huì)在LCD上顯示EEPROM中存儲(chǔ)的值。長按（超過6秒）實(shí)際上會(huì)將新值寫入EEPROM，從而將顯示設(shè)置為零。因此，該操作可在實(shí)際飛行之前方便地在地面上執(zhí)行。

無線電高度儀通常安裝在大型飛機(jī)上，機(jī)身由鋁或碳纖維復(fù)合材料等導(dǎo)電材料制成。在這種情況下，相對(duì)容易在發(fā)射天線和接收天線之間獲得良好的隔離。此外，無論飛機(jī)的實(shí)際類型如何，結(jié)果都是可以預(yù)測(cè)的。

不幸的是，許多小型飛機(jī)具有由織物，木材或玻璃纖維環(huán)氧樹脂制成的不導(dǎo)電機(jī)身。另外，木材和玻璃纖維復(fù)合材料是小型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分，因此，在不損害飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，無法在機(jī)身上切開用于無線電高度計(jì)天線的大孔。另一方面，在帶有透明機(jī)身的微波飛機(jī)上，內(nèi)置天線是一種可行的解決方案。

一個(gè)成功的內(nèi)部無線電高度計(jì)天線設(shè)計(jì)如圖9所示。該天線包括一個(gè)線性極化貼片，其空氣電介質(zhì)安裝在腔體內(nèi)。選擇正確的空腔尺寸會(huì)大大減少兩個(gè)無線電高度儀天線之間的不必要耦合。腔周圍的四分之一波長扼流圈進(jìn)一步減小了耦合。當(dāng)將天線放置在機(jī)身的玻璃纖維復(fù)合地板上時(shí)，空腔壁和阻流壁也可以用作實(shí)用的墊片。

圖9所示的天線相對(duì)較容易用薄黃銅片制造。它在整個(gè)4.2-4.4GHz無線電高度帶上實(shí)現(xiàn)了超過11dBi的增益和約15dB的阻抗匹配。當(dāng)然，天線必須調(diào)整到實(shí)際的玻璃纖維機(jī)身厚度。

實(shí)際結(jié)果

所描述的包括天線的無線電高度計(jì)原型安裝在機(jī)動(dòng)滑翔機(jī)上（圖1），在近兩年的時(shí)間里，它在不同跑道和不同天氣條件（不同土壤濕度）的數(shù)百個(gè)著陸場(chǎng)上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。當(dāng)然，任何無線電高度儀的性能在很大程度上取決于土壤的反射率和粗糙度。

發(fā)現(xiàn)所描述的無線電高度儀在平均（草）表面上的最大工作距離約為1000英尺。在反射良好的表面（如靜水）上，該范圍要高得多，而在不利的條件下（樹木）可能會(huì)下降到500英尺。這種設(shè)計(jì)的范圍主要受到接收機(jī)相對(duì)較高的噪聲系數(shù)和較低的發(fā)射機(jī)功率的限制。兩者都可以使用更好的組件進(jìn)行改進(jìn)。由于該無線電高度儀主要用于在最后進(jìn)近和小型飛機(jī)的耀斑期間運(yùn)行的著陸輔助設(shè)備，因此認(rèn)為500英尺的射程已足夠。

無線電高度儀的精度主要取決于反射目標(biāo)。始終可以在光滑，鋪砌（混凝土）的跑道上獲得可重復(fù)的結(jié)果。在草地跑道上，測(cè)量結(jié)果通常會(huì)偏離+/- 0.5英尺。這意味著在草跑道上并不是必須要進(jìn)行抖動(dòng)處理，因?yàn)椴莘瓷渎实淖兓瘯?huì)產(chǎn)生類似的平均值。在不抖動(dòng)的情況下，在標(biāo)準(zhǔn)4.2-4.4GHz頻段的正交設(shè)計(jì)中，計(jì)數(shù)器的增量約為1英尺。不幸的是，在極少數(shù)情況下，草地跑道的反射率非常低，以至于無線電高度儀無法提供任何有意義的結(jié)果。

除了難以讀取的數(shù)字高度顯示外，因此在艱難著陸時(shí)使用受限，此外，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中還成功測(cè)試了簡單的聲學(xué)界面，如圖10所示。

當(dāng)聲學(xué)信號(hào)是恒定音高和可變周期的間歇音調(diào)時(shí)，無線電高度儀將在最后進(jìn)場(chǎng)的開始時(shí)打開。隨著飛機(jī)下降到跑道，嗶嗶聲周期增加。在耀斑開始時(shí)，提示音周期增加到無窮大，因此聲音變成連續(xù)的聲音。此后，通過減小的音調(diào)來中繼高度信息。當(dāng)起落架接觸跑道時(shí)，音調(diào)降低到零。

盡管發(fā)現(xiàn)所述的聲學(xué)接口非常快速可靠，在飛機(jī)的最關(guān)鍵配置中支持襟翼和/或擾流板完全展開的最終進(jìn)近和火炬飛行，但飛行員也需要進(jìn)行一些額外的培訓(xùn)。另一個(gè)缺點(diǎn)是，簡單的聲音信號(hào)很容易與飛機(jī)上其他儀器發(fā)出的嗶嗶聲混淆。

因此，發(fā)現(xiàn)需要一種易于理解的語音合成器。實(shí)際上，發(fā)現(xiàn)足以用21個(gè)不同的詞來描述飛機(jī)的高度，以英尺為單位：負(fù)，零，一半，一，二，三，四，五，七，十，十五，二十，三十，五十，七十，一一百，一百五十，兩百，三百，四百和五百。在較高的海拔高度上，有意將分辨率提高了，以避免飛行員不必要的信息過載。

結(jié)論

實(shí)際的著陸無線電高度儀已在數(shù)百次著陸中開發(fā)，建造和測(cè)試。實(shí)際測(cè)試的結(jié)果表明，廉價(jià)的電子設(shè)備可以代替起落架的昂貴維護(hù)和/或修理和/或小型飛機(jī)上的其他損壞。

本文介紹的無線電高度計(jì)電路可以通過多種方式進(jìn)行改進(jìn)。更好的RF前端可以改善反射不良的表面的范圍和可靠性。數(shù)字信號(hào)處理器可以完美消除兩個(gè)天線之間的串?dāng)_，從而再次提高了儀器在反射不良的表面上的可靠性。最后，如果將兩個(gè)正交差拍信號(hào)都饋送到信號(hào)處理器以測(cè)量相位，則無需進(jìn)行抖動(dòng)處理。

參考

[1] Werner Mansfeld：“ Funkortungs- und Funknavigationsanlagen”，1994年，HüthigBuch Verlag GmbH，海德堡，ISBN 3-7785-2202-7，第337-342頁。

[2] Leo G. Maloratsky：“飛機(jī)單天線FM無線電高度計(jì)”，《微波雜志》，2003年5月，ISSN 0192-6225。

[3] Giorgos E. Stratakos，Paul Bougas和Kostas Gotsis：“低成本，高精度雷達(dá)高度計(jì)”，微波雜志，2000年2月，ISSN 0192-6225。

[4]Matja?Vidmar：“設(shè)計(jì)提高了4.3 GHz無線電高度計(jì)的精度”，《微波與射頻》，2005年6月，ISSN 0745-2993。

[5]Matja?Vidmar：“寬帶，變?nèi)荻O管調(diào)諧微帶VCO”，《微波雜志》，1999年6月，ISSN 0192-6225。

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