浅谈一种组合天线测试平台设备的设计

2022-05-18江萍

中国设备工程 2022年8期

江萍

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

1 前言

各型组合天线属于飞机综合通信导航识别系统，用于接收地面导航台或广播电台的信息，组合天线替代了传统无线电罗盘系统中的垂直天线、天线放大器、环形天线、环匹配器等组件。针对装配于新型飞机的各型无线电罗盘组合天线因缺少射频调制信号导致内场不能测试的问题，拟设计一款组合天线测试平台。该平台主要用于完成各型飞机组合天线的检测，为其提供地面模拟信号，并作为显示终端进行接收设备性能指标的测量。

组合天线测试平台（以下简称测试平台）由组合天线测试仪和测试环境组成（见图1），组合天线测试仪是专为组合天线生产、调试和维修而设计的专用测试设备，在符合测试要求的屏蔽室内，配合天线支架、信号源和电压表等设备使用。组合天线测试仪由电源模块、1553B总线控制、EST-210总线耦合器、1553B方位显示、音频电压监测显示、标准接收机、调制度检测接口组成（见图2）。该测试仪通过主控计算机控制1553B总线模块，模拟显控器的控制信号，向接收机、天线环匹配部分输出90Hz正弦/余弦调制信号及-12V/+15V偏置电压，也同时控制接收机将组合天线接收处理过且带有方位信息的150KHz～1750KHz信号进行数据采集，经软件解算后得到数字方位角，输出直流方位信息(DC SIN，DCCOS，-DCSIN)，再由1553B方位显示部分电路完成数字方位显示,完成组合天线的性能检测。

图1 组合天线测试平台布局

图2 组合天线测试仪组成框图

2 组合天线测试仪硬件设计

组合天线测试仪采用模块化设计，标准接收机能够单独安装和替换，保证了测试设备的扩展性，通过更换不同型号的接收机，同时修改对应的1553B通信协议，即可在保证原硬件平台不变的条件下，可快速升级为不同型号的天线测试。主控计算机的计算机接口可以程控外部信号源、毫伏表和示波器，实现自动化测试控制和测试数据的上传，更便于融入已有的数据管理系统。

待测天线固定在定制的天线支架上，天线支架上有刻度盘用于指示方位，测试仪和信号源、毫伏表和示波器组合使用，完成天线参数测试。

2.1 标准接收机

标准接收机选用具体组合天线装机接收机产品，经标校后的标准模块，用于接收天线信号并解析输出音频数字电压信号、和方位信号，是天线测量的核心部件。

2.2 1553B总线控制器

1553B总线控制器（见图3）通过内置的1553B总线模块加载控制模拟软件实现接收机工作模式、工作状态改变和方位信息解析显示。

图3 1553B总线控制器实物图

1553B总线模块板卡提供2个双冗余1553B通道，支持单功能/全功能，板载128MB DDR3大容量缓存，提供1553B总线信号采集、直接耦合或变压器耦合软件可配置、总线信号幅值可编程等功能，同时IRIG-B 可支持AC/DC输入，以及IRIG-B DC输出等功能。

采用自主研发的智能1553B协议处理器，可实现对1553B总线消息的精准调度、实时收发及响应。与1553B软件配合使用，可实现1553B总线的仿真、数据的实时分析和监控。该产品适用于机载设备的通信，以及实验室和外场的测试和监控。

3 组合天线测试仪软件设计

组合天线测试仪软件具备用户管理功能及组合天线测试仪测试功能。组合天线测试仪软件包括：收讯灵敏度测试功能、定向灵敏度测试功能、定向准确度测试功能、定向信号调制度测试功能。

4 测试环境设计

组合天线测试应在满足要求的屏蔽室内进行，屏蔽室应良好接地，为了消除干扰，屏蔽室的电源线要加滤波，室内所有导线管道都应与屏蔽室连接。

考虑到目前已有一个面积较大的屏蔽室，内部有多个其它测试设备会对天线测试产生干扰，拟采用在当前屏蔽室内新建一个单独的小型专用屏蔽室和使用隔断的方式改建当前屏蔽室两种方案。考虑到屏蔽室各面应采取相同的材质和特定的连接方式，且需要处理现有底板和新屏蔽室侧面挡板的连接问题，工作量较大，屏蔽参数引入误差较大，最终选定新建一个单独的小型屏蔽室，放置在当前环境中。

天线测试屏蔽室设计要求示意图如图4所示。

图4 屏蔽室建设示要求意图

传输线为多股铜线，安装位置应与屏蔽室的侧墙平行且居于中间，传输线应水平延伸到屏蔽室侧面墙壁，在距离墙壁10cm处用绝缘子将传输线拉直、固定。传输线安装位置示意图如图5所示。

如图5所示，环形天线应放置在传输线中心的下方。传输线至顶棚的距离d应大于30cm，传输线至环形天线中心的距离Xo应为60～130cm，采用同轴线缆将信号发生器连接起来，同轴线缆应与传输线相互垂直。环形天线和传输线之间的距离为理论参考值，需要根据实际的屏蔽室大小进行调整。

图5 传输线安装位置

环天线的的场强与信号发生器输入到传输线的电压有关。传输电压（V）与场强（V/m）之比定义为屏蔽室因数。

环天线的场强可以根据传输线电压按公式（A1）求出：

该公式只能给出近似解。虽然是进行了近似简化，但是只要屏蔽室的高与宽的比不小于1，这样近似处理，产生误差不会大于1%，如果高与宽的比值小到0.5，就可能造成4%的误差。

该公式给出的场强是传输线正下方，距顶棚Xo处的场强。为了防止驻波形成，端接电阻应与传输线的特性阻抗ZL相等。由于屏蔽室的平均尺寸通常都比波长短，所以即使是很大的失配也不会产生明显的驻波，为了将屏蔽室因数调节成简便值，端接电阻可以在很大范围内改变。在计算场强时，应采用端接电阻的真实值，不管它是否等于传输线的特性阻抗。这是因为场强是传输线中电流的函数。而传输线中的电流又是传输线电压及端接电阻决定的，因此在计算中应采用端接电阻的真实值。

考虑到测试设备和仪表的实际大小和天线转台的测试方便，建议屏蔽室尺寸为4.25×3.4×2.6m，建设标准符合国标BMB3-1999标准中屏蔽C级屏蔽效能指标要求，不仅适用于本项目所涉及的组合天线测试，也满足其它型号机载无线电罗盘测试规范要求。

屏蔽室采用单层结构、模块组装式设计，壳体采用2mm镀锌钢板进行剪、折加工成初期屏蔽模块，再进行屏蔽模块的冲孔等二次精加工，确保平整并能精准对接组装,然后按要求对屏蔽外观进行烤粉，保证外观精美。完成后按图纸组装屏蔽模块形成完整的屏蔽壳体，模块间用屏蔽衬垫进行接驳处的严密屏蔽处理，配高级铜簧片完整封装的杠杆式省力屏蔽门1套，有效避免缝隙射频信号泄露。屏蔽室整体稳固、美观，屏蔽性能极优、适用性广，可二次迁移利用。