ADF天线模拟器设计.docx
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ADF天线模拟器设计
分类号
V243
编号
G3
UDC
00165
密级
公开
中国民航飞行学院
毕业设计(论文)
题目
便携式ADF天线模拟器设计
DesignofPortableADFAntennasimulator
作者姓名
专业名称
指导教师姓名及职称
提交日期
答辩日期
答辩委员会主任
评阅人
20
16
年
6
月
1
日
便携式ADF天线模拟器设计
摘要
ADF天线系统由一个垂直天线和一个环天线组成,这两种天线合成的特殊天线方向图,决定了这一系统可以准确的实现定向导航,该系统对无线电罗盘的工作起着至关重要的作用。
本次设计任务是制作一个便携式的ADF天线模拟器,对ADF模拟器的设计过程进行了详细的阐述,并绘制出了ADF天线模拟器各模块的电路图,就天线模拟器的测试原理、外部结构、内部电路构造等进行了深入的分析,从理论上证明该设计是可行的,可以进行后期的产品制作。
其功能是要实现在场外进行对飞机ADF设备的测试,主要目的是在现有的ADF天线模拟器的理论基础上,实现对该设备的小型化便携化的设计。
本文首先详细介绍了ADF的发展现状;其次从ADF定向原理出发,详细分析了ADF天线的基本特性;ADF模拟天线的设计不仅极大的方便了ADF的生产、调试、检测和维修,同时有效的简化了工作环境,节约生产成本,提高工作效率。
为完成此便携式ADF天线模拟器设计,特到我校的飞机修理厂参照以前的较大的ADF测试设备,并查找借鉴原设备的理论和设计思路,结合信号发射源的理论知识,最后得出这套便携式ADF天线模拟器的设计方案。
设计的效果要求是可以辨别出被测试的机载ADF设备指针偏差是否过大超出范围,以及ADF设备性能是否良好。
鉴于此本文设计了便携式ADF天线模拟器,从而实现对ADF的测试。
关键词:
ADF,天线,模拟器,便携式,导航,平衡调制器,设计
DesignofPortableADFAntennaSimulator
Abstract:
ThesepracticalfunctionsofADFmakeitwidelyusedinaviationandnavigation.However,fromthebirthofADF&NDB,howtotestithasbeenplaguedbytheproductionandapplicationofADF.Eachproduceamachine,producersmusttestonthemachinewheretheuseoftheenvironmentasindicatedbyfollowingtherightcourse,courseaccuracy,sensitivity,workstability,andensuringreliableperformanceofeachmachine.InordertoachievethepurposeoftestingADF,theelectromagneticenvironmentshieldingroomisdesignedtosimulatetheelectromagneticfieldintheelectromagneticenvironment.However,someworkingconditionsdonothavetheconditionstoestablishtheelectromagneticenvironmentshieldingroom,andtheoperabilityisnothigh.Therefore,themanufactureofasmallsize,portableADFantennasimulatorisverynecessary.
ADFantennasimulatorisakindofspecialtestequipmentfortestingADFwhichisdesignedbythecharacteristicoftheanglemeasuringdevice.WhentheADFantennasimulationappears,itgreatlyfacilitatesthedebugging,testingandmaintenanceoftheairborneADF.ADFantennasimulatorforthepurposeofthestudyistofullydeeplygraspitstestingprinciple,externalstructure,internalcircuitstructuretounderstanditinthetesttheexistenceoftheproblemandhowtorealizethetestfunction.
KeyWords:
ADFAntenna,Simulator,Portable,Navigation,KTS156,BalancedModulator
第1章绪论
1.1ADF天线模拟器研究的背景和意义
ADF导航设备是上个世纪二十年代开始被研制和应用的一种无线电技术进行导航的无线电导航设备,并很快的被用于航海和航空领域。
无论是在飞机上测向还是在地面测向,均包括机载设备(ADF)和地面设备(NDB)两部分。
ADF是由天线、受讯机,RMI(磁方向指示器:
Rotary Magnetic Indicator)及控制器所组成。
天线则是由环型天线(Loop Antenna)与辨向天线(Sense Antenna)构成。
能够自动探知地上传来送讯讯号(连续波、或用识别符号变调的连续波)的发出方向的动作称为ADF波形,这个时候是使用环型天线与辨向天线的讯号,如果只需接收无指向数据以及识别符号的话,就单使用辨向天线(ANT波形)。
利用机载自动定向机和地面导航台组成的导航系统,可以引导飞机飞向导航台或飞离导航台,以及提供某些导航计算所需的参数。
ADF的这些实际功用使其在航空和航海中广泛应用。
然而从ADF诞生起,如何对其进行测试就一直困扰着ADF的生产和应用。
每生产出一部机器,生产者都必须对这部机器所在的使用环境中所指示的航向正确性、航向精度、灵敏度、工作的稳定性等进行测试,并确保每部机器的性能可靠。
为了达到测试ADF的目的,最初人们设计了电磁环境屏蔽室以模拟空间电磁场。
但有的工作环境不具备建立电磁环境屏蔽室的条件,而且可操作性也不高。
因此,针对ADF天线本文设计了便携式的ADF天线模拟器,它可以极大的方便ADF的生产、调试、检测和维修,简化工作环境,有效的节约生产成本,提高工作效率。
1.2ADF发展现状
自动定向机[1](ADF)与地面无线电台配合,可测量无线电波的来向,人们利用这种设备就可以确定飞机或者舰船等航行体的航行方向。
在导航领域中,无线电测向设备是最先使用的设备,早期的无线电测向设备是由人工转动、具有方向性的环形天线,当环形天线平面对准地面无线电台方向时,无线电测向设备的接收机接收到的无线电信号强度最小,因此,接收机输出的音频信号强度最弱,称作“哑点”。
实际上,这种人工手动的无线电测向设备最先只在航海的舰船上使用,不适宜在高速飞行的飞机上使用,因此,必须对它进行改进。
随着科学技术的不断发展,无线电测向的理论与技术也在不断发展与完善,相继出现了无线电半自动罗盘、无线电自动罗盘,即今天的自动定向机(ADF)。
它们在采用的元件、电路结构、选择地面无线电台频率的方法、天线结构及其功能上都在不断地改进和发展。
目前,现代自动定向机不仅实现了自动化,而且在定向速度、精度、灵敏度及可靠性等方面都大大提高了,并广泛用于各种飞机和直升机。
自动定向机的发展大致可分为三个阶段。
20世纪四五十年代采用电子管电路,对地面无线电台频率采用机械软轴进行调谐,定向天线为单个的旋转式环形天线,其典型设备为R5/ARN7和APK-5型定向机。
20世纪六七十年代采用晶体管电路,频率选择采用粗、细同步器调谐,有些设备使用晶体频率网采用“五中取二”方法调谐,定向天线采用两个正交的旋转式或固定式环形天线,如APK-11,WL-7-6A型定向机等。
到20世纪80年代左右,自动定向机基本采用集成电路或大规模集成电路,并使用频率合成器、二、十进制编码数字选频及微处理器,天线系统中取消了任何机械传动部件。
自动定向机结构简单,使用维护方便,价格低廉等优点,它可以在190~1750kHz频段范围内,利用众多的民用广播电台和专用的无方向信标(NDB)地面导航台为飞机定向定位,并可与无线电高度表、信标机等设备配合引导飞机进行着陆。
所以,自动定向机虽然早在1937年开始就是第一个规定在运输机上使用的无线电导航设备[2],由于它具有以上优点,至今仍广泛应用于飞机导航,并成为目前各种飞机、直升机的一种常用设备。
1.3产品设计意义和内容以及技术指标
目前实际测试机载ADF设备时,通常在外场进行,小飞机在外场实际进行测试的时候,需要将机载ADF设备打开,再由3至5名机务人员推着飞机在规定的区域内作类圆周运动,或者对飞机开慢车,使其在该规定区域内滑动,根据检查每一时刻飞机与NDB电台对应的实际相对方位与机载ADF指示器的方位是否一致,如果一致,则说明机载ADF设备性能是良好的,若不一致,再做相应地检查。
若不将飞机推到规定的区域内,而就地在停机坪做ADF设备检测,则所需要的射频信号源设备体积太大,重量太重,且价格昂贵(50万元人民币),也不需要太高精度的测试,而且携带和转移十分不方便,因此实际外场测试过程中通常不用ADF天线模拟器进行测试。
这里要设计的便携式ADF天线模拟器就是解决上述的两个问题。
便携式ADF天线模拟器设计主要是解决射频信号源设备体积太大,重量大价格昂贵不方便携带的问题。
其功用即,飞机在停机坪时,不需要移动飞机和开慢车,将该设备插入到ADF卡槽内,即可检验出此时飞机机载ADF的功能好坏,若存在问题再做进一步检查。
这里采用NE555定时器以及相应的外部电路发射固定频率的200kHz正弦波,载波信号给测试仪,经过测试仪处理后得到所需的相应信号,再依次传输给罗盘指示器、ADF接收机。
其设计的整体要求:
射频信号源发射信号频率精度范围控制在±3kHz。
该发射的信号经测试仪处理后传送到指示器中进行显示,所显示的值与标准值的误差在±3°以内。
射频信号源的输出信号功率与噪声功率之比,即信噪比要大于6dB。
射频信号源输入信号输出电压应大于1毫伏,满足以上条件则该射频信号源为合格设计,射频信号源具体参数如表1-1所示。
表1-1射频信号源设计的参数要求
测试项目
参数标准
固定载波频率
200kHz正弦波
载波频率误差
±3kHz
方位角指示误差
±3°
输出信号信噪比
>6dB
调制波频率
1kHz正弦波
调制频率范围
30%
输出信号电压
>1mv
第2章ADF系统定向原理
罗盘接收天线是无线电罗盘系统非常重要的一部分,它的功能是接收空间电磁波信号并将其转化为电信号送入罗盘接收机,接收机通过处理这些信号来完成罗盘的基本功能:
定向。
作为主要整件,接收天线在无线电罗盘设备工作中起着非常重要的作用。
2.1ADF天线定向原理
无线电罗盘能够根据导航台辐射的电磁波自动地测出导航台相对于罗盘方位,并由此指示出所测试的导航台相对于飞行体的方向角。
它是一种依靠电磁波来工作的无线电设备。
罗盘定向天线在线路上由两部分组成,垂直天线和环天线。
垂直天线有多种形式,有的是制作在环天线的罩体上,有的则独立制作,独立安装。
而环天线是在磁芯上按互相垂直的原则绕制的两组线圈。
线圈中加入磁芯是为了增加磁通量,增加天线的有效高度,减小天线的体积。
飞机导航台辐射的是一种“垂直极化”电磁波,其电场分量E是垂直方向,而磁场分量H是水平方向,两个分量与电磁波的传播方向互成直角,如图2-1所示,在现代飞机中,多数飞机采用两个环形天线和一个垂直天线,使一个环形天线固定于当飞机对准电台时接收信号最大,另一环形天线在对准电台时接收信号最小,也就是使接收信号的强弱与飞机的纵轴移动而变化,其接收信号的强弱则在最小点时转换。
这一信号在同垂直天线接收的信号叠加就可以确定电台的方位。
H
E
电磁波传播方向
导航台
图2-1导航台辐射电磁波示意图
环形天线是一种方向性的天线,其方向性图为以环形天线为中心的“8”字图形。
垂直天线是无方向性天线。
利用环形天线同垂直天线相结合的方法可实现单值定向。
2.1.1ADF天线的基本特性
天线[3]基本功能是辐射或接收无线电波,它是无线电设备中电波的出口或入口,是发射机和接收机联系空间电磁波的纽带。
凡是依靠无线电波来完成系统工作任务的电子设备都离不开天线。
所以,天线是无线电设备中必备的重要整件。
一般来说,天线应具有以下基本特点:
(1)阻抗匹配特性:
为了将信号功率有效地馈送到天线上或将天线所接收到的信号功率有效地传送到接收设备中去,天线应该具有阻抗匹配的功能;
(2)方向性:
而为了节省发射功率或提高接收系统的信噪比,天线有时仅需要定向地辐射或接收无线电波,因此天线又应该具有一定的方向性;
(3)一定的极化特性:
因我们通常把天线在最大辐射方向上电场矢量的取向随时间的变化规律定义为极化,因此天线还是一个极化器件。
(4)一定的频带宽度:
在此频带中,天线的性能变化不大,能满足给定的要求。
频带宽度的确定与收发系统的体制和工作方式有关。
几乎在所有情况下,天线都具有上述的各种功能。
2.1.2自动定向原理
(1)罗盘的简化方框图
无线电罗盘的简化方框图如图2-2所示,环天线感应电势与垂直天线感应电势的相位差90°,所以在环放中除放大外还需将其相位移90°,样环信号就与垂直天线信号同相或反相。
在叠加回路上,环信号与垂直天线信号叠加,如在80Hz的一个半周,两信号同相则增强,而在80Hz的另一个半周期,将因反相而叠加为零。
这样输入到超外差接收机的信号就是一个30Hz矩形调制波,其调制度决定于环信号及垂直天线信号的相对大小。
与一般超外差接收机类似,输入信号经二次变频,放大和检波输出低频信号,经30Hz选频电路将30Hz信号从检波的低频信号中分离出来,经过放大和调制,去驱动指示器。
当指示器转到环放信号为零时,电路中只有垂直天线信号,因而检波后30Hz信号为零,指示器指针就指出电台的方位角。
u1、u2是各自接收天线接收信号后的电压;u3是信号传输移相时电压;u4是垂直天线和环形天线信号叠加时电压;u5是信号移相后与另一信号迭加时电压;u6是迭加后的信号被传送到接收机的电压;u7为80Hz迭加信号传送到驱动器时电压;u8是驱动器给指针的驱动电压。
图2-2ADF无线电罗盘简化方框图
(2)自动定向的单值性
图2-3给出了自动定向时各部分电路的信号波形与相位关系。
从图中可以看出:
①当导航台在飞机右侧时,使驱动电路带动指示器向右转动,直到固定环形天线系统无信号输出为止。
②当导航台在飞机左侧时,使驱动电路带动指示器向左转动,直到固定环形天线系统无信号输出为止。
由图2-3可知,不论飞机偏在导航台的何方,接收机驱动系统都能自动地从最短距离转回到一个零值点上,也即转回到对准导航台的位置,并随时保持在这个零值点上。
这样就完成了自动定向的工作。
在接收机中随时都有内部的和外部的干扰,这种干扰的相位和幅度变化很随机,因此引起指示器不正常的摆动,在上述的零值点上,若因干扰作用使指示器摆动,偏离零值点一个很小的角度,驱动电路使指示器转回原来的零值点,因此这个零值点是稳定点[4]。
另一个零值点(相当于方位角180°)则是非稳定点,如将指示器转到这个点上,则将因干扰产生的摆动或飞机纵轴的稍许偏离,由于上述原因,指示器将从偏离的那一方转向稳定的零值点(方位角0°)。
所以自动定向是单值性的。
图2-3自动定向时各部分波形与相位关系
2.1.3垂直天线和环形天线方向性
1.垂直天线接收的方向性图
垂直天线为无方向性天线,它主要用于配合环天线完成定向功能。
当发射台发射的功率和发射台到接收机天线的距离都一定时,不论电磁波从那个方向来,垂直天线所接收的场强完全一样,天线感应电势也相同。
若该电场强度的瞬时值为:
(2-1)
垂直天线感应电势则为:
(2-2)
因为:
(2-3)
所以:
(2-4)
式中:
—电场强度峰值;
—天线有效高度。
e0—电场强度瞬时值
eA—垂直天线感应电动势
从上式可看出,e的大小与来波方向无关,其方向性图是一个圆。
2.环形天线接收的方向性图
罗盘环天线[5]一般都采用矩形环形天线,当环天线位于电磁空间时,两组环天线线圈均有一定的感应电动势产生。
在导航台的功率一定且天线与导航台的距离亦一定时,其感应电动势的大小与天线相对于来波的方向有关(以下说明中设环线圈a的绕制方向和来波方向的夹角为
)。
环形天线的工作原理如图2-3所示。
1、
导航台在飞机的正前方,此时环形线圈a环面的法线方向与磁场方向平行,穿过环形线圈a的变化磁通最多,感应电势也最大,流过线圈CD的电流Ia最大,假设其方向如图2—4(a)所示
在线圈CD中产生的磁场Ha最强,其假设方向由左指向右。
环形线圈b的绕制方向正对电波来向,穿过环面的磁通为零,故感应电势等于零。
此时,测角器中的合成磁场
就等于
。
2、
=45°
此时,因穿过环形线圈a的磁场方向未变,因而Ha的方向不变。
而环形线时,而环形线圈b有磁通穿过,产生感应电势,AB线圈中产生电流
,其方向假设如图1-4(b)所示。
该电流在AB线圈是产生磁场
,因为
=45°,所以Ha=Hb。
合成磁场H合是Ha与Hb的矢量合。
因为Ha=Hb,所以H合与Hbm的夹角45°。
即导航台方位角度0°变为45°时,测角器中合成磁场的方向也随着转了45°。
3、
=90°。
导航台在飞机的正右方。
此时,环形线圈b的感应电势最大,Ib。
、Hb的方向不变。
而环形线圈a上的感应电势为零,故合成磁场H合=Hbm
由此可见,当导航台方位角由45°转至90°时,合成磁场方向也相应地转了45°。
4、
=180°。
导航台在飞机的正后方。
此时,环形线圈a上的感应电势最大,Ia、Ha的方向改变,与0°时正好相反。
环形线圈b无感应电势。
即H合的方向也相应地转了180°。
5、
=225°、270°、315°时,经分析可发现与其相对应的中心对称角度的结果相反。
图2-3环形天线工作原理图
当导航台的方位角等于其它角度时,按照同样方法,都可求出测角器中合成磁场的大小及方向,并由此求出其感应电势e的相位和振幅的大小。
电波入射角不同时,转子线圈上感应电势e的相位和振幅的变化,如表2-1所示。
表2-1入射角及相应相位和振幅变化表
电波来向
电波入射角
的相位和振幅
右来波
0°
90°
(+)0
最大
90°~180°
(+)最大
0
左来波
180°~270°
(-)0
最大
270°~360°
(-)最大
0
根据上表画出水平平面内环形天线系统方向性图,如图2-4所示,它是一个横8字形方向性图。
图中O点表示固定环形天线位置,O点处的小矩形表示测角器的转子线圈,矩形的长边代表线圈的环面。
矢量OA的长度表示电波入射角为
时,转子线圈上感应电势的振幅。
“+”、“-”号表示左右来波方向不同时,转子线圈感应电势的相位相反。
图2-4环形天线系统方向图
从环形天线系统的方向性图可以看出:
(1)电波从0°或180°入射时,环形天线系统输出的电势为零:
(2)电波从90°或270°入射时,环形天线系统输出的电势振幅最大;
(3)电波从其它方向入射时,环形天线系统输出的电势振幅在零到最大值之间:
(4)电波从左、右两个方向入射时,环形天线系统输出电势相位差为180°。
从分析测角器中合成磁场的特点可以看出,当导航台以一定距离围绕固定环形天线从0°转到360°,在测角器中合成磁场H合的方向也随之顺时针转了360°,由此看出H合与空间电磁波的方向是一一对应的[6]。
H音在转子线圈中再产生感应电势,其相位与大小可用图2-4的方向性图表示出来。
罗盘就是利用环形天线系统这一特性进行定向的。
若将图2-4的方向图用环天线处的电场强度表示出来则为
(2-5)
式中:
—电场强度峰值;
hp—天线有效高度。
ep—电场强度
从图2-4得出,环天线方向性图具有三个特点:
(1)它的左右两方对称而余差电势的相位差180°(反相)。
(2)最小接收位置比最大接收位置灵敏。
(3)有两最小值接收位置(哑点),即具有双值性。
环形天线系统感应电势与垂直天线感应电势的相位关系
由于垂直天线感应电势
的大小,与单位时间内切割磁力线的数目成正比。
所以垂直天线在交变的电磁场中,场强瞬时值小时,切割磁力线的数量就少,
瞬时值就小;场强瞬时值大时,切割磁力线的数量就多,
的瞬时值就大。
因此垂直天线感应电势
与电波场强
的相位是同相的。
环形天线系统感应电势
的大小,与测角器中合成磁场穿过转子线圈的磁通变化率成正比。
而测角器中的合成磁场与空间电波的磁场同相。
当电波场强瞬时值为零时,在测角器中穿过转子线圈的磁通变化率最大,
的瞬时值最大;当电波场强瞬时值最大时,虽然穿过转子线圈的磁通量最大,但磁通变化率为零,因此
的瞬时值为零。
由此可见,环形天线系统感应势
的相位与电波场强E的相位差90°。
2.2机载ADF工作原理
图2-5ADF工作原理图
ADF接收回路主要包括正弦、余弦环形天线和垂直天线等。
天线用于将接收到的正弦、余弦信号,将调制好的正弦、余弦信号与经过90度相位变换的垂直天线信号进行叠加,然后产生一个叠加的射频信号通过一个可变换的半倍频带宽滤波器,进而开始一级混频,产生一个25dB中频放大信号,经过AGC回路进行二次混频,产生一个二次混频信号,再进行50db中频放大,通过一个带通滤波器产生音频信号,再由音频电路放大后经音频输出通道输出[7]。
相位检波电路主要是用来将微处理器的调制信号和通过带通滤波器的调制信号进行解调,输送给电压驱动后得到所需的余弦方位信号和正弦方位信号。
所得的正弦和余弦方位信号,通过罗盘只是仪可以显示当前的方位。
中频信号首先被抑制然后移动到放大器进行调制,当依就需要保留相位信号时,信号由相频比较器输出,通过低通滤波器产生的信号给锁定检测器,当锁定完成前,频率比较器输出的信号供应给压控振荡器。
直到达到循环锁,才使能线到环路调制器中的天线被禁止,所以没有相位调制尚未存在。
在压控振荡器电路的第二控制回路用于确保频率稳定度[8]。
电源:
ADF主要使用的是开关电源是-26V,+6.2V,-12V和+192V的直流电源。
开关电源是一种利用现代电力电子技术,
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