机载无线电罗盘垂直天线电参数及测量方法

文章编号:1001-893X(2008)01-0078-04机载无线电罗盘垂直天线电参数及测量方法*陈玉东1,秦海潮2(1.北京航空航天大学,北京100083;2.北京航空工程技术研究中心,北京100076)摘 要:从机载无线电罗盘垂直天线的基本工作原理出发,结合天线使用过程中的实际情况,以及当今测试技术的发展状态,总结出了一套较为完整的测试方法,并对测试数据的准确性提出了相关建议。

工程应用证明,该测试方法合理可行,避免了潜在问题的发生。

关键词:机载无线电罗盘;垂直天线;电参数;测量方法中图分类号:TN820 文献标识码:AThe Electric Para m eters and M easure m e ntM et hod ofA irborne Radio Co mpass Vertical AntennaCH EN Yu-dong1,Q IN H ai-chao2(1.Be iji n g Un i v ersity ofA eronautics and A str onau tics,Beiji n g100083,China;2.B eiji n g A eronauticalTechno logy Research Center,Be iji n g100076,Ch i n a)Abstract:A m ore i n tegrated m easure m entm ethod is proposed according to the e l e ctric para m eters defini ti o n of a ir borne radio co m pass verti c al antenna and its practica l applicati o n.So m e suggestions are g iven on t h e basis o f ana l y sis of the m easure m ent pri n ciple.Eng i n eering applicati o n sho w s that the m ethod is reason ab l e and feasible,and can avo i d potential prob le m s in practical app licati o ns.Key w ords:airborne radio co mpass;verti c al antenna;electric para m eters;m easure m entm ethod机载无线电罗盘是飞机的基本导航设备,指引着飞机按预定的航线飞行,其功能正常与否直接关系着飞行安全,是重要的飞行保障设备。

无线电罗盘主要由接收机、天线系统、垂直天线放大器、环形天线罗差补偿器、控制盒、指示器等组成,其中天线系统包括环形天线(定向天线)和垂直天线(非定向天线),除垂直天线外,其它部分均由罗盘生产厂家提供,而垂直天线由于某些原因如经常由飞机制造厂或天线研制单位提供,这就要求对垂直天线提出电性能指标以实现与罗盘放大器的匹配连接。

1 机载无线电罗盘垂直天线电参数机载无线电罗盘垂直天线(以下简称垂直天线)的种类很多,如刀型、鞭型、腹鳍、背鳍、座舱盖天线等,这里主要以刀型垂直天线为例介绍其电性能测试方法。

刀型垂直天线高度一般为30~70 c m,根据无线电罗盘的工作频段(150~1800kH z)可知,天线的长度大约相当于波长的1 ,远远偏离谐振长度,端口阻抗呈现大容抗,已经不再适合谐振天线的定义,其工作频段决定了自己独特的电性能参数。

一直以来,垂直天线的电参数主要包括灵敏度积数、装机方向图、天线电容和有效高度,随着多端口复合天线的出现,新的问题如罗盘指示器偏指、反指、不定向等直接威胁飞行安全,笔者认为必须在原来参数的基础上增补新的参数,即相位一致性和端口间隔离度,因此垂直天线主要参数变更如下:(1)灵敏度积数P e[1]:天线电容和有效高度的乘积,P e=C H e;(2)天线电容C:天线端口呈现的电容值,主要实现与放大器的共扼匹配;78*收稿日期:2007-06-18;修回日期:2007-10-28(3)有效高度H e :天线接收信号能力强弱的表现;(4)装机后方向性:天线在载机平台上安装后的方向图,一般为全向性;(5)相位一致性:天线是否在工作频段内始终保持电容性;(6)端口间隔离度[2]:对于多端口的复合天线要限定端口间隔离度的最小值。

2 垂直天线电参数测量将垂直天线安装在1.2m !1.2m 的金属板上,有条件的话,在测试过程中监测周围电磁环境的变化,以避免出现干扰及测试误差。

2.1 天线电容测量天线电容测量直接受测试环境影响,包括安装板、天线罩、周围物体等,实测的电容值包括了纯粹的天线电容和天线与安装环境之间的杂散电容、分布电容,无论是哪部分电容,都直接影响天线的接收效果,因此必须考虑综合的电容值。

电容值测试的基本原理是与标准的电感元件组成谐振电路,从而得到电容值,其测量方法可依据测试设备选用:(1)Q 表法,即在指定频率采用标准电感与天线电容调谐,从而读出相应的电容值。

该方法必须是点频测量,同时必须对不同频率下仪器引线的电容值进行修正;(2)矢量网络分析仪(VNA )法,使用矢量网络分析仪直接对垂直天线端口进行阻抗测试,直接读出电抗值从而得到电容值。

该方法适于扫频测试,可以直观的观察垂直天线端口阻抗特性的变化,包括电容值的变化、电容变电感、电感变电容等;(3)RLC 测量仪法,使用RLC 测量仪测试,直接输入测试频率,通过调谐原理,读出待测天线的电容值。

试验表明,性能良好的罗盘垂直天线在工作频段内的天线电容值很稳定,随频率变换很小。

2.2有效高度测量图1 天线有效高度测量原理框图天线有效高度测试原理图见图1,由于罗盘工作频率很低,发射天线效率低,信号源功率小,测试很难满足一般的天线测试距离[3,4]要求(如果能与地面导航台站配合可以实现远距离测试),只能近似认为天线处于均匀场。

根据有效高度的定义[5],天线端口的感应电动势为U =E H e(1)其中,E (V /m )为接收位置场强,H e (m )为天线有效高度,U (V )为感应电动势。

标准1m 长的单极子天线在罗盘工作频段的有效高度是0.5m [6],通过与1m 的长单极子天线比对同样接收场强条件下的电动势,即可得到垂直天线的有效高度,设H e 1为待测垂直天线有效高度,H e 2为标准天线有效高度,则:H e 1=U 1 H e 2/U 2(2)试验表明,性能良好的罗盘垂直天线在工作频段内的有效高度值很稳定,随频率变换很小。

可以使用频谱仪或示波器替代高频微伏表测量,频谱仪端口阻抗为50 ,必须转换为开路状态下的电压值才能进行比对。

2.3 装机后天线方向图测量(1)地面试验利用导航台作发射源,将高频微伏表连接在天线输出端,以尽可能小的半径原地推飞机转圈,每转动10∀测量一次,记录电压值。

(2)飞行试验在距离导航台一定距离R 的指定空域内作半径r(r R )的圆周飞行,检查无线电罗盘的定向跟随性能。

2.4 相位一致性测量相位一致性测量是为了检验天线的相位特性,该指标是新增加的,其特性与天线电容和有效高度的测试结果是相辅相成的,可以直观地检测天线的相位特性。

如果天线端口出现相位突变(容性变感性或电容变化很大),就会引起罗盘指示器反指或偏指,而此时天线端口阻抗接近自己的谐振点,有效高度变得很大而天线电容的值变得很小。

垂直天线在无线电罗盘工作频段内应始终呈现容抗特性,而且电容值变化最好不超过10pF ,这样才能更有效地避免无线电罗盘偏指或反指的发生。

测试原理见图2。

由于频率很低,采用导线直接连接信号源,另一端螺旋型缠绕在垂直接收天线上,用示波器同时监测发射天线的信号相位和垂直天线输出的信号相79位。

由于发射天线与接收天线距离很近,发射信号和垂直天线接收信号的相位应该是一致的,如果不一致,那就是垂直天线接收到信号后在传输到端口过程中发生了相移。

图2 天线相位一致性测量原理框图2.5 端口隔离度测量机载天线的发展趋势之一就是多端口复合天线,既可以减少天线数量降低散射截面[7],又可以更有效地利用载机平台空间。

对此类天线必须检验天线复合后是否保持了单独状态时的电磁兼容性,即隔离度值在天线复合后仍然能达到指标要求。

隔离度测量时由于罗盘垂直天线本身呈现大容抗[8],很难与通用的测试设备如标网、矢网等实现阻抗匹配,因此建议在天线与测试设备之间连接罗盘放大器,通过放大器的阻抗变换实现共轭匹配连接。

同时在实际使用中,罗盘放大器本身具有一定的频率选择特性,即工作频段内信号放大、频带外信号抑制,因此这种测试状态更接近于罗盘设备的实际工作状态(有时罗盘放大器放大倍数有区别),其测试结果更具真实性。

测试原理见图3。

测试频率应首选罗盘工作频段,避免被其它设备的杂散信号干扰,然后再测试临近罗盘工作频率的频段,避免出现大功率信号压制性干扰。

图3 多端口天线隔离度测量原理框图2.6 灵敏度积数测量灵敏度积数一般通过测量天线电容和有效高度获得,也可以采用与已知灵敏度积数的标准天线比对测量直接获得,等效电路见图4。

其中,U 1为待测天线端口感应电动势,he 1、C 1为待测天线有效高度和天线电容,Cp 为测试设备(如高频微伏表)的端口电容;U 2为标准天线端口感应电动势,he 2、C 2为标准天线有效高度和天线电容,待测天线与标准天线分别与测试设备连接后,可以分别得到测试电压u 1、u 2。

图4 天线端口电压测试等效电路图连接待测天线时:u 1=E he 1 C 1/(Cp +C 1)=E P e 1/(Cp +C 1)(3)连接标准天线时:u 2=E he 2 C 2/(Cp +C 2)=E P e 2/(Cp +C 2)(4) 于是有:P e 1=u 1/u 2 (Cp +C 1)/(Cp +C 2) P e 2(5) 因此,只要分别测出标准天线和待测天线与测试设备并联后的电容值,即Cp +C 1和Cp +C 2,就可以得到待测天线的灵敏度积数。

3 测试误差分析垂直天线电参数测量误差主要来源是天线电容测量和有效高度测量。

3.1 天线电容测量天线电容测量的实测结果并非纯粹天线本身的电容值,而是包含了各种分布、杂散电容的系统电容,也可以称作#视在电容∃,是能够真实反映天线及其安装环境的实际电容值,直接关系到有效高度值的大小。

3.2 有效高度测量有效高度测量是和天线电容相关联的,即理想状态下的天线电容(纯天线电容)对应的是理论有效高度,#视在电容∃对应#视在有效高度∃。