無方向信標入門解析

無方向信標入門解析無方向信標入門東苑電腦工作室編寫目錄一、無方向信標臺二、無方向信標的組成三、T型天線的計算四、無方向信標的調(diào)諧與匹配一、無方向信標臺1、無方向信標臺無方向信標臺，也叫做NDB，出現(xiàn)在1937年，是最早用于航空導航的無線電設備。無方向信標工作在中長波，它是一種能給飛機上的無線電羅盤提供位置線的無線電發(fā)射機，也稱中波導航機。無方向信標臺通常建設在機場附近或航路、航線上。圖1無方向信標臺2、兩種無方向信標臺通常在機場跑道延長線上各建設兩個無方向信標臺。一個距離跑道端1公里的信標臺叫做近臺，另一個距離跑道7公里的信標臺叫做遠臺。這兩個信標臺起引導飛機進近著陸的作用。這兩個導航臺通常叫做雙歸航臺，可以引導飛機對準跑道，穿出云層，安全下降到50米以下，然后進行目視著陸。近臺的發(fā)射功率通常為100W；遠臺和航路導航臺的發(fā)射功率通常為500W。3、無方向信標臺發(fā)送的信息無方向信標臺不間斷地發(fā)射連續(xù)載波信號，每8秒以調(diào)幅方式發(fā)射一次識別碼。近臺的識別碼使用一個字母表示，遠臺和航路導航臺使用兩個字母表示，使用莫爾斯電碼編碼而成，調(diào)制音頻為1020Hz。也就是說，識別碼是采用調(diào)幅電報形式發(fā)送的。無方向信標在不發(fā)射識別碼時，只發(fā)射等幅載波信號，供飛機自動定向機測定無方向信標臺的方位使用。無方向信標發(fā)射調(diào)幅的識別碼，可以防止發(fā)射識別碼過程中引起自動定向機指針擺動。對于遠臺來說，應當具備發(fā)射調(diào)幅電話的功能，以便當飛機通信設備發(fā)生故障時，駕駛員可以利用自動定向機來接收地面的指揮信號4、無方向信標的天線近臺天線高度一般為10米，遠臺和航路導航臺的天線架設高度為30米，由于天線高度遠低于41λ，所以，天線呈電容性。為了調(diào)諧天線，需要在天線調(diào)諧器上，增加電感分量。圖2寬T形天線寬T形天線的水平方向圖是一個圓，也就是在水平面上的無方向性。寬T形天線的垂直方向圖如下：圖3寬T形天線的垂直方向圖由此可見，寬T形天線是地波天線。在T型天線的上空是一個寂靜錐區(qū)，飛機通過無方向信標臺的上空時將收不到信號。5、地網(wǎng)為了得到良好的發(fā)射效果，臺站應鋪設地網(wǎng)，接地電阻應小于1Ω。圖4地網(wǎng)的結構二、什么是脈寬調(diào)制1、什么是脈沖？在數(shù)字電路課程中，我們學過了脈沖，單個脈沖，周期性序列脈沖，矩形脈沖，微分脈沖，等。一個脈沖周期性脈沖序列圖5脈沖的波形描述一個脈沖，需要使用兩個物理量，一個是幅度，一個是脈寬。描述一個周期性序列脈沖，需要有5個物理量，它們是：幅度，脈寬，周期，頻率，占空比。在周期性脈沖序列中，脈沖寬度與脈沖周期的比值叫做占空比。假設脈沖寬度為τ，周期為T，則占空比Tτ=2、脈沖調(diào)制周期性序列脈沖是不含有任何信息的，我們可以把周期性序列脈沖當作一個載波，然后將音頻信號調(diào)制到這個脈沖序列上，這就形成了脈沖調(diào)制。常見的脈沖調(diào)制方式有脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制。如果使周期性脈沖序列的幅度隨著音頻信號成比例地變化，這就是脈幅調(diào)制，記做PAM，見下圖。圖6脈幅調(diào)制波形圖如果使周期性脈沖序列的脈沖寬度隨著音頻信號成比例地變化，則為脈寬調(diào)制，記做PWM，見下圖。圖7脈寬調(diào)制波形圖3、數(shù)字功率放大器數(shù)字功率放大器是一種D類功率放大器。它采用脈寬調(diào)制（PWM）技術，將音頻信號轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號，使功放管工作在開關狀態(tài)。根據(jù)電子技術理論，晶體管工作在開關狀態(tài)時，具有最高的工作效率，即具有最大的功率輸出，而最小的耗散功率。在理想情況下，功放管導通時內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，因此沒有功率損耗；而截止時，內(nèi)阻無窮大，電流又為零，也沒有功率損耗。當功放管采用場效應管時，它的導通電阻更小。在額定輸出功率時，數(shù)字功率放大器的效率可以達到90%。數(shù)字功率放大器一般由前置放大級、脈寬調(diào)制、脈沖功率放大與低通濾波器四個部分組成，其中脈寬調(diào)制和脈沖功率放大是數(shù)字功率放大器的核心。脈寬調(diào)制一般采用比較積分的方法產(chǎn)生PWM信號。通常，數(shù)字音頻功率放大器的原理方框圖如圖8所示。圖9為其各點工作波形示意圖，其中Vi為輸入音頻信號；V1為鋸齒波與輸入信號進行比較的波形；V2為調(diào)制器輸出的脈沖（脈寬調(diào)制波形）；V3為功率放大器放大后的脈寬調(diào)制脈沖；Vo為低通濾波后的音頻信號。圖8數(shù)字功率放大器原理方框圖圖9各點的電壓波形圖三角波經(jīng)過調(diào)制后得到正弦脈寬調(diào)制波形，這種周期信號的頻譜是一種離散頻譜。對于信號頻率為fo，載頻頻率為f1的調(diào)制信號，其頻譜主要分布在fo和nf1的譜線上。當f1＞fo時，調(diào)制信號通過低通濾波器后，載頻被抑制，很容易分離出語音信號。數(shù)字功率放大器具有體積小，額定輸出功率大等特點，在現(xiàn)代高質(zhì)量音頻功率放大器中普遍采用數(shù)字功率放大技術。三、無方向信標的組成1、無方向信標的工作原理無方向信標機是一個自動拍發(fā)識別碼信號的調(diào)幅發(fā)射機。在生產(chǎn)設計無方向信標機時，考慮到提高無方向信標的工作效率，降低本身功耗。為此，在無方向信標機中，采用了以下兩種技術：（1）高頻功率放大器采用了D類放大設計；（2）在放大1020Hz音頻功率的過程中，使用了脈寬調(diào)制技術。將1020Hz的音頻信號轉(zhuǎn)變成了脈寬調(diào)制信號，然后進行功率放大，以產(chǎn)生足夠功率的脈沖調(diào)制電壓，經(jīng)過低通濾波器，還原成1020Hz音頻調(diào)制信號。這就是脈寬調(diào)制式調(diào)幅發(fā)射機。NDB500脈寬調(diào)制式無方向信標的外形和組成原理圖如下。圖10國產(chǎn)NDB500無方向信標下圖為脈寬調(diào)制式調(diào)幅發(fā)射機的組成原理圖，它是由激勵器、中間放大器、功率放大器、識別碼產(chǎn)生電路、識別音頻振蕩器、脈寬調(diào)制器、脈沖放大器、調(diào)制級、低通濾波器等組成。圖11脈寬調(diào)制式調(diào)幅發(fā)射機組成原理圖在無方向信標使用的脈寬調(diào)制電路中，將包含識別碼信息的音頻信號進行脈沖調(diào)制處理，產(chǎn)生的是單極性脈寬調(diào)制信號，也就是說，經(jīng)過低通濾波器之后，得到的是直流加音頻電壓信號。這樣的調(diào)制電壓正好符合作為調(diào)幅功率放大器調(diào)制電壓兼直流電源的需求。在額定載波功率輸出時，并且在不發(fā)射識別碼的時候，通常設計脈寬調(diào)制信號的占空比為40%左右。在對識別音頻進行100%滿調(diào)幅時，脈寬調(diào)制信號的最大占空比為80%，最小占空比為20%。識別碼電路產(chǎn)生的是由1個或2個字母組成的莫爾斯電報碼，通過控制1020Hz的振蕩器輸出，產(chǎn)生音頻識別碼。音頻識別碼經(jīng)過數(shù)字功率放大后，在低通濾波器輸出端產(chǎn)生足夠功率的調(diào)制電壓，加到射頻功率放大器的直流電源輸入端，在射頻功率輸出端產(chǎn)生調(diào)幅波，完成調(diào)幅任務。四、無方向信標的單元原理圖1、單元電路說明在射頻驅(qū)動器內(nèi)部包含有晶體振蕩器、分頻器和脈沖驅(qū)動放大器，輸出為載波矩形波，送調(diào)制功率放大器。識別碼產(chǎn)生器，輸出1020Hz的識別碼信號，送到調(diào)制驅(qū)動器進行脈寬調(diào)制。調(diào)制驅(qū)動器內(nèi)部有一個70kHz的振蕩器，經(jīng)積分后變成三角波，作為脈寬調(diào)制器的載波輸入。從調(diào)制驅(qū)動器輸出的是70kHz的脈寬調(diào)制信號。70kHz的脈寬調(diào)制信號經(jīng)過低通濾波器，被還原成1020Hz的音頻正弦波信號，對功率放大器進行調(diào)幅。由于功率放大器工作在D類，所以，調(diào)制功率放大器輸出的波形為識別碼調(diào)制的矩形脈沖調(diào)幅波。經(jīng)諧波濾波器濾去諧波后，輸出標準的調(diào)幅波。2、石英晶體振蕩器無方向信標采用的是晶體振蕩器，具有很高的頻率穩(wěn)定度。石英晶體存在一個自己固有的振動頻率。當在石英晶體兩端加上交流電時，石英晶體就開始振動。當交流電的頻率與石英晶體的固有振動頻率相等時，晶體片就產(chǎn)生了共振。此時，機械振動的幅度最大，在晶體表面產(chǎn)生的電荷最多，對外呈現(xiàn)的交流電流也就最大，也就是說，石英晶體具有諧振電路的特性。石英晶體的固有諧振頻率與晶體的切割尺寸有關，晶體切片越薄，固有諧振就越高。石英晶體的等效電路圖如下。圖12石英晶體等效電路圖由以上等效電路可知，石英晶體有兩個自然諧振頻率，一個是串聯(lián)諧振頻率qf，一個是并聯(lián)諧振頻率pf，qpff。在qpff~之間，石英晶體呈電感性。下圖是一個常用的石英晶體振蕩器電路圖，叫做并聯(lián)性晶體振蕩器。在下面的電路圖中，石英晶體成電感性，諧振電路滿足電容三點式振蕩器組成原則。圖13并聯(lián)性晶體振蕩器電路原理圖在NDB使用的晶體振蕩器，見下圖。圖中，石英晶體Y1等效為一個電感，由電容器C2和C6組成了分壓電路，與Y1組成諧振回路。圖14石英晶體振蕩器電路圖石英晶體振蕩器的振蕩頻率一般在2MHz以上，為了產(chǎn)生無方向信標載波頻率，還需要對晶體振蕩器進行分頻。3、1020Hz音頻振蕩器先認識一下單T型帶阻濾波器，見下圖所示，其輸入輸出特性對某一個頻率呈高阻抗狀態(tài)。圖15單T型帶阻濾波器這個帶阻濾波器的中心頻率為：RCmfπ210=在NDB中，1020Hz音頻振蕩器見下圖。R17、R20、C3、C4組成一個單T型帶阻濾波器，這個有源帶阻濾波器的中心頻率為1020Hz。這個單T型帶阻濾波器以負反饋電路的形式接入U7A中，形成一個選頻反相放大器，U7A反相放大器在1020Hz頻率上具有最大電壓增益。這個反相放大器與U7B組成的反相放大器一起級聯(lián)，共同構成同相正反饋放大器，形成振蕩。在U7A組成的反相放大器中，由于單T網(wǎng)絡作為負反饋支路接入到反相輸入端，所以，該放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率有關。對于1020Hz來說，單T網(wǎng)絡的阻抗最大，所以，U7A放大器的電壓放大倍數(shù)最大，所以，該振蕩電路的振蕩頻率為1020Hz。圖161020Hz振蕩器4、脈寬調(diào)制器的工作原理普通音頻功率放大器的效率是很低的，如果將放大識別碼音頻信號的任務交給脈寬調(diào)制器去完成，整個放大器就變成了脈沖放大器，將放大后的脈寬調(diào)制信號通過一個低通濾波器，即可恢復音頻信號。下面是一個脈寬調(diào)制器的工作原理圖。圖17脈寬調(diào)制器電路原理圖圖18脈寬調(diào)制器工作原理圖圖19正弦調(diào)制時脈寬調(diào)制器脈沖輸出波形圖在脈寬調(diào)制器控制端輸入的控制電壓就是一個直流電壓加1020Hz的識別碼音頻電壓，直流電壓代表載波電壓。調(diào)整直流電壓的大小，就可以改變載波輸出功率的大小，直流電壓越高，則相應的載波輸出功率就越大?？刂齐妷翰ㄐ我娤聢D所示。圖20正弦調(diào)制時脈寬調(diào)制器脈沖輸出波形圖也就是說，在脈寬調(diào)制信號中包含了載波和識別碼信息。當無方向信標不發(fā)射識別碼時，脈寬調(diào)制器輸出脈寬固定的序列脈沖，在額定功率輸出時，占空比為40%。占空比越高，發(fā)射機的輸出功率就越大。當無方向信標發(fā)射識別碼時，脈寬調(diào)制器輸出可變脈寬的序列脈沖。在調(diào)幅度為90%的情況下，脈寬調(diào)制器輸出的序列脈沖占空比在4%~76%之間呈線性變化。因為脈寬調(diào)制放大器放大的是脈沖信號，所以，其工作效率是很高的。采用脈寬調(diào)制電路的發(fā)射機，因此也被稱呼為脈寬調(diào)制式發(fā)射機。5、125W橋式功率放大器在圖中，四只場