双余度调频高度表的隔离度研究

吕百成

北京青云航空仪表有限公司，北京，101300

0 引言

根据飞行任务需要，多型飞机要求配套的无线电高度表使用双余度的工作方式。高度表在双余度安装使用时对天线有较高的安装距离及天线增益、方向性图等设计要求，如果双表的天线安装距离较近，高度表易产生互相干扰的问题，导致无法正常测高。为解决这一问题，本文首先介绍了调频高度表的工作原理及测高实现方式，然后分析了高度表双余度使用时各信号的作用，在对信号干扰产生条件分析的基础上，进行了相关的试验测试，给出了调频高度表双余度使用过程中的隔离度要求[1]。

1 调频连续波高度表工作原理及测高实现

高度表可以连续测量载体对地面或海面的相对高度。无线电测高技术发展成脉冲体制和调频连续波体制两类，调频连续波高度表又可分为恒定周期体制和恒定差拍体制。其中恒定差拍调频连续波、频谱前沿探测的工作体制测量精度高、抗干扰能力强，特别适合用于中、低高度测量应用[2]。

恒定差拍体制调频高度表一般有微波收发组件、低放鉴频组件、伺服环路控制组件，经发射天线向地面发射经锯齿波调制的射频线性调频波，当发射的时间为t1，该调频波频率为F1，经过一段时间τ后，从地面反射回来的信号经接收天线进入无线电高度表，频率仍为F1，τ是往返飞机与地面之间（电磁波传播）所需的时间，称之为“渡越时间”。在t2（t2=t1+τ）时刻时，发射频率从F1变为F2，高度表接收的信号与发射信号（频率为F2）在混频器内进行混频，得到一个差频信号fb（fb=F1-F1），差频信号经过放大、增益控制、信号滤波、鉴频等，提供输出信号给伺服环路作为搜索/跟踪及调整锯齿波时间T的依据，使高度表进入跟踪状态，同时使差频信号保持在某一恒定频率，测量锯齿波时间T，计算出当前高度[2-3]。图1表示其测高工作原理。

根据直角三角形之间的关系，可以得出下列公式：

如果将系统的差拍频率fb和频偏ΔF保持为与高度无关的常数，而正比于高度变化的参数仅是发射机的频率调制斜率（即周期），上述基本公式可写成：

延迟时间τ由两部分构成，一部分是与飞行高度成正比的延迟时间2h/c，另一部分是设备安装延时Ti(包括高度表连接到天线的电缆长度以及飞机机轮高度),故：

其中：Ti为高度；Ti设备的安装延迟AID（包括安装电缆长度，天线间距，天线局地高度）；T频率调制周期；c电磁波传播速度；ΔF峰值之间的频偏；fb差拍频率。

2 双表干扰分析

2.1 跟踪工作时高度表A受到的干扰信号

高度表在双余度使用时，如果两组天线间距较小，则高度表之间会互相干扰，输出错误高度。如在净空试验时，高度表会错误跟踪高度[3]。

高度表双余度安装使用，正常跟踪测高时的工作情况如图2所示。高度表A接收的信号有T21、T24、S21、S24，其中：

T21是接收天线AT2接收的，经地面反射的发射天线AT1的发射信号。

T24是接收天线AT2接收的，经地面反射的发射天线AT4的发射信号。

S21是接收天线AT2接收的，未经地面反射的发射天线AT1的发射信号。

S24是接收天线AT2接收的，未经地面反射的发射天线AT4的发射信号。

对高度表A来讲，以上信号中只有T21是含有高度信息的有效信号，其他均为干扰信号。只有高度表A跟踪、测量T21信号才是正常跟踪工作状态，如果跟踪、测量其他信号，则认为高度表A被干扰[5]。

2.2 干扰源信号的分析

2.2.1 同步的干扰情况

2.2.1.1 不干扰的充分条件

如果S24信号与高度表A的发射信号同步，混频信号为f24，根据高度表工作原理，f24信号如果对高度表造成干扰，f24信号的频率应在20kHz～30kHz范围内，否则该信号将在低频放大器中被滤波。

当f24信号的频率在20kHz～30kHz范围内时，如果f24信号经高度表A放大电路放大后不能使鉴频器输出达到跟踪/搜索触发器门限，那么，高度表A就不会对该信号进行跟踪，反之造成干扰。

此时，高度表A对接收信号的放大增益取决于高度表A当前搜索测量高度。而高度表A此时的测量高度可能为任何值，所以高度表A对接收信号的放大增益可能为最小放大增益也可能为最大放大增益。

以最严酷情况即最大放大增益计，在同步状态下，只要f24信号经最大放大增益放大后，达到跟踪/搜索触发器门限，则跟踪/搜索信号跳转，高度表进入锁相状态，伺服环路由跟踪鉴频器输出，等待20ms后，跟踪状态有效，S24信号干扰成功。

如果f24信号经最大放大增益放大后不能达到跟踪/搜索触发器门限，那么S24信号一定不会造成干扰[4]。

那么S24信号不干扰的充分条件是：发射天线AT4与接收天线AT2之间的天线隔离度Lh14＞高度表A最大灵敏度Smax，或者考虑电缆衰减情况下高度表B“发”端与高度表A“收”端的设备隔离度大于高度表A最大灵敏度。

由此我们得到了信号不干扰的充分条件，但是高度表的最大灵敏度一般为＞124dB，而如果天线隔离度要达到124dB，则天线安装间距要求＞4m，但是实际的安装间距不需要这样大就可不干扰工作，所以该条件不是S24信号不干扰的充分条件，对干扰现象需进一步研究。

2.2.1.2 同步干扰的可能性

在前节讨论中的前提条件是S24信号与高度表A的发射信号同步，且混频信号f24信号的频率应在20kHz～30kHz范围内。

高度表的发射信号是带宽为10 0 M H z～150MHz的连续调频波，每一次搜索中约100个不同的调频锯齿波，要求f24信号的频率在20kHz～30kHz的范围内，则高度表B与高度表A的同步概率为1%×10kHz/100MHz=0.000001，即百万分之一。

那么如果出现上述情况，在同步的瞬间高度表A应该跟踪/搜索信号跳转，然后信号需保持20ms才确认跟踪有效。在这20ms中f24信号需在20kHz～30kHz范围内保持，而f24信号是由高度表A与高度表B的混频信号，这就要求高度表A与高度表B的微波频带的不一致性小于10kHz/100MHz=0.0001，参照高度表微波组件调频带宽的非线性小于1.5%的最高工艺指标要求，可知两只微波组件达到万分之一的不一致性是不可能的。

即使有两只微波组件达到万分之一的不一致性，并且碰上了百万分之一的同步概率，也只得到了20kHz～30kHz的f24信号，该信号将对高度表A进行伺服调整，伺服调整的结果将改变高度表A发射信号的调频斜率从而使高度表A与高度表B由同步状态转为不同步状态[5]。

综上所述，同步干扰概率极低，并且同步干扰是不稳定状态，所以同步干扰是不可能实现的，在使用中不需要考虑同步干扰的情况。

2.2.2 异步的干扰情况

S24信号与高度表A的发射信号异步时，最容易出现干扰的情况应是：

a)被干扰的高度表A对信号的放大量最大，即高度表A当前测量高度较高；

b)干扰信号S24在单位时间内与被干扰的高度表A的发射信号产生最多的20kHz～30kHz内的混频信号，即高度表B当前测量高度极低。

在上述情况下，在高度表A与高度表B的锯齿波相交时，高度表中A将产生20kHz～30kHz范围内的混频信号。在实际工作中，高度表最短锯齿波约110us，休止期为220us，另外试验测定每次混频信号持续时间约70us。

如果混频信号f24’经控制鉴频器鉴频输出信号满足跟踪要求，则跟踪/搜索信号由搜索状态跳转为锁相，如果持续时间保持20ms，则高度表A转为跟踪状态，被干扰。

2.2.3 T24信号与S24信号的关系

S24信号是高度表B的发射信号直接传播到高度表A的，其能量大小是一定的，与飞行高度、姿态等无关，其与高度表A发射信号的同步关系是不确定的。

可见，对高度表A来讲，S24信号和T24信号都是随机干扰，区别只是能量大小不同。在一定高度以下时，T24信号能量大于S24信号，在高高度时，T24信号能量小于S24信号。

3 双表干扰试验

为模拟高度表在双余度使用时的干扰情况，并测定隔离度要求，考虑进行高度表双表收发直馈干扰试验。

将高度表B的“发”端通过电缆及可变衰减器连接高度表A的“收”端，观察高度表A的被干扰情况。其中电缆衰减和可变衰减器的衰减共同组成高度表A的“收”端与高度表B的“发”端之间的设备隔离度。两只高度表均无闭合的信号回路，所以为搜索状态，可认为模拟净空辐射试验或高空飞行状态。

当高度表B“发”端与高度表A“收”端的设备隔离度大于95dB时，高度表A、B均一直为搜索状态。逐渐减小可变衰减器衰减量，当高度表B“发”端与高度表A“收”端的设备隔离度小于95dB时，高度表A的状态信号出现错误跳转情况。

再次减小可变衰减器衰减量，当高度表B“发”端与高度表A“收”端的设备隔离度小于92dB时，高度表A有跟踪状态显示及错误高度输出[6]。

4 结语

根据调频连续波高度表飞机上双表实际安装方式，进行了高度表正常跟踪工作模式下的发射及接收信号的互扰情况分析，进行了接收信号的同步及异步干扰情况的分析，及双表的直馈干扰试验。可以得出调频连续波高度表相同体制双表工作时应满足两只高度表设备隔离度不小于95dB的要求。对于天线，应根据实际使用的装机电缆不同长度的衰减、天线增益、方向性图及实测隔离度数据综合考虑，再确定天线的安装间距，从而确定天线隔离度，使其满足系统隔离高的要求。