C波段无线电高度表的温补调频电路设计

夏 牟，夏永平，魏 斌，杨 兵

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

调频式和脉冲式两种。本文中采用的是调频的方式：从飞行器的发射天线向地面发射锯齿波调制的连续调频电波，经过地面反射后被接收天线接收。

常规工作模式是：对于相同斜率的锯齿波调频信号，接收信号和发射信号的差频可计算出无线电波的传输时间。该系统需要频率计数器来获得最后的中频输出，然后转化成高度值[2]。

本文中采用的方式是通过调频电路，调节高度表中调频锯齿波的斜率，获得固定的差频，调频锯齿波的斜率就可以转化为高度值。优点是：中频输出后只需要加一个带通滤波器，后面加个检波管。检波管电压超过阈值时，停止扫描锯齿波的斜率，输出高度值[3]。该高度表的原理框图见图1。

1 引言

无线电高度表是使用无线电信号测量航空器离地高度的机载设备，是一种重要的飞行器仪表之一。它由发射、接收装置和显示器组成。飞行器在空中飞行时，高度表向地面发射无线电波，经地面反射后，被高度表自身接收，该无线电波传输的距离就是两倍的飞行高度。由无线电波的传输速度可知，只要测出电波的传输时间，就可以得出飞行器的离地高度[1]。

2 工作原理

无线电高度表按照工作方式来划分，可分为

图1 C波段高度表原理框图

3 调频锯齿波电路的设计

锯齿波发生电路主要是通过施密特触发器来实现。其输出锯齿波的斜率可以通过控制电压V1来调节[4～5]。见图 2 所示。

锯齿波电路的波形测试，主要包括斜率的测试以及电压区间的测试。锯齿波的幅度是由电阻R22来调节，频率通过控制电压V1来调节。锯齿波的幅度要根据高度表采用的VCO的调频灵敏度来调节，因此，在电路中，该电阻选取可调电阻。

图2 锯齿波发生电路

图3 锯齿波发生电路测试波形

图3是锯齿波发生电路的输出波形，从上到下3个波形分别对应1 V、3 V和5 V的控制电压。有了这个锯齿波发生电路，无线电高度表在固定高度飞行的时候，回波的时间固定。通过扫描控制电压，就可以让差频信号和带通滤波器的频率一致，然后锁定扫频电路，根据控制电压来计算对应的高度值。

4 温补电路的必要性及其设计方法

首先，对该型号高度表中采用的VCO进行测试，并使用MATLAB进行数据拟合[6]，在没有采用温度补偿电路的情况下，该无线电高度表中采用的VCO调频特性见图4。

图4 未加温补电路之前的VCO调频特性

如图4所示，对于同一调频电压，在25℃（常温）条件下和高低温（-45℃、65℃）条件下的频率差有15 MHz ～20 MHz。在整个工作的温度范围内，对于同样的输入电压，频率偏差可以达到30 MHz，高度表收发部分的隔离器、滤波器、天线等部件很可能会因为信号的频率偏移而不正常工作。因此，需要设计温补电路来使高度表的工作频率稳定在同一范围内。要实现这个功能，就要对高低温下的调频电压进行补偿。因此，可以采用热敏电阻进行分压的方式来调节。从图4可以看出，高温下对应同样的频率，需要更高的调频电压，因此，需要把正温度系数的热敏电阻放在到地的分压部分。

图5 温补电路设计原理框图

温补电路的设计原理图见图5。其中，电阻1选取和热敏电阻在常温下并联电阻2之后同样阻值的电阻。调灵敏度电阻主要是根据热敏电阻的温度特性调节电阻总值，以调节温补电压对温度的灵敏度。首先，从图4可以看出，热敏电阻在-45℃到65℃需要向上调节的电压大约为0.6 V，然后选取正温度系数的热敏电阻，根据热敏电阻在-45℃和65℃的电阻值，计算出电压改变0.6 V对应的调灵敏电阻。通过运放实现温度补偿电压值和锯齿波电压的叠加[7]。

设计中，选取了一款560 Ω的热敏电阻，首先是分别测出-45 ℃和65 ℃温度下的电阻值分别是120 Ω和1.1 kΩ。选取电阻1为120 Ω，电阻2和560 Ω并联的阻值应该为120 Ω，因此，选取电阻2为150 Ω，调灵敏度的电阻可以通过以下公式来得到：

通过计算得出调灵敏度的电阻大约为560 Ω。这样选取的话，高温下的调频电压可以比低温下的调频电压高0.6 V，从而使得输出信号的中心频率能够稳定在4.3 GHz[8]。

5 整机性能验证

之前，如图4所示，对于同等电压，在高低温条件下，VCO的输出信号频率差有30 MHz。把该温补调频电路安装到C波段无线电高度表中，再进行性能测试，对比测试数据。首先，在常温下，调节锯齿波电压的区间，使VCO的输出实现中心频率4.3 GHz的扫频输出。

图6中，上下两个波形分别对低温和常温、高温和常温的高度表扫频输出进行了对比。其中，横坐标每格代表了14 MHz，标记1、2为常温下的频率最小和最大值，标记3、4为高低温下的可以频率最小和最大值。可以看出，和常温比，高低温下扫频的上下边带基本没有变动，中心频率漂移在5 MHz以内，和之前图4中未加温补电路的VCO测试结果相比，三温条件下的中心频率稳定了很多，这样就保证了高度表天线在收发上的稳定工作状态。

在带延迟线的高度表测试系统中，对采用该温补调频电路的无线电高度表进行了性能测试。图7中，对2米、100米、1000米、1500米高度分别进行了测试，可以看出该高度表的测试精度在0.2%以内。

图6 高度表三温下的扫频输出

图7 高度表精度测试数据

6 总结

本文中，针对C波段无线电高度表设计了一款温补调频电路，该电路在输出锯齿波的线性以及高低温的频率补偿上都具有良好的性能，解决了高度表在高低温条件下中心频率偏移大的缺点，使收发频率稳定在天线的正常工作带宽内。整机测试的数据证明，采用该温补调频电路的无线电高度表的测量精度很高，并且工作频率稳定。

[1] 程国晓，高宪军，陈超. 一种新的无线电高度表原位检测的高度模拟方法[J]. 计算机测量和控制，2008.

[2] J G Proakis, M Salehi. Contemporary Communication Systems (using MATLAB)[M]. Thomson Brooks/Cole,2004.

[3] J G Proakis, M Salehi. Communication Systems Engineering, 2nded[M]. Upper Saddle River, N J : Prentice-Hall，2002.

[4] 赵克玉，许福永. 微波原理与技术[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[5] 陈邦媛. 射频通信电路[M]. 北京：科学出版社，2002.

[6] 王正林，等. 精通MATLAB科学计算[M]. 北京：电子工业出版社，2007.

[7] 张善杰，等. 实用计算方法[M]. 南京：南京大学出版社，2000.

[8] 黄智伟. 无线发射与接收电路设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.