邵 威，楊志謙

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088）

最近20年全球航空運輸業(yè)發(fā)展極其迅速，航空公司的規(guī)模日益壯大，導(dǎo)致機場內(nèi)飛機起降次數(shù)猛增，如何在有限的空間、多變的天氣條件下管理好越來越多的飛機及相應(yīng)增加的地服車輛，成為各國機場當局必須考慮的問題。

機場場面監(jiān)視雷達是一種主動式微波監(jiān)視設(shè)備，系統(tǒng)對機場場面目標的監(jiān)視不需要被監(jiān)視目標的合作，是一種重要的非合作目標監(jiān)視設(shè)備。同時，該雷達的工作性能不受外部光照的影響，具備全天時監(jiān)視的能力；基于電磁波具有的云、雨、霧等介質(zhì)穿透能力，而具備全天候監(jiān)視的能力?；谝陨咸匦?，機場場面監(jiān)視雷達不僅在機場場面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)（Surface Movement Guidance and Control System，SMGCS）中得到了廣泛的應(yīng)用，也是先進的機場場面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，ASMGCS）的重要組成部分[1]。

中國民航“十二五”規(guī)劃（2011年至2015年）第六章第三節(jié)指出：“在飛行流量前20位的機場建設(shè)場面監(jiān)視雷達，在雙跑道和多跑道運行的機場建設(shè)場面監(jiān)視雷達和多點定位系統(tǒng)（Multilateration，MLAT），在特殊區(qū)域配置移動二次雷達”[2]。

2011年，國內(nèi)烏魯木齊、西安、重慶、杭州、上海等多個機場對外發(fā)布了機場場面監(jiān)視雷達的競標需求。2012年成都雙流機場計劃安裝兩部TERMA公司的SCANTER2001雷達，每部雷達監(jiān)視一條跑道及其附屬區(qū)域[3]。據(jù)TERMA公司網(wǎng)站介紹，該公司在中國區(qū)域安裝和預(yù)計安裝的場面監(jiān)視雷達已超過10部。

機場場面監(jiān)視雷達對可靠性要求非常高，系統(tǒng)要求連續(xù)工作一年不停機，并且故障檢測切換時間小于1 s，這就對系統(tǒng)的可靠性設(shè)計提出很高的要求[4]。

本文從實際應(yīng)用的需求出發(fā)，給出了機場場面監(jiān)視雷達控制電路的特點，研究了電路設(shè)計及元器件選用的基本原則，詳細闡述了提高電路可靠性的方法。

1 控制電路設(shè)計原則

1.1 控制電路的特點

機場場面監(jiān)視雷達主要包括電源系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)和發(fā)射機等設(shè)備組成?？刂齐娐分饕蝿?wù)是采集各個分系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)各個狀態(tài)參數(shù)的變化對各個分系統(tǒng)發(fā)送控制指令，包括發(fā)射開關(guān)機、天線旋轉(zhuǎn)啟停、備份設(shè)備切換、雷達復(fù)位等關(guān)鍵指令。具體控制電路的功能框圖如圖1所示。

控制電路可靠性的關(guān)鍵在于保證控制電路不會受到其他分系統(tǒng)故障的影響的同時，能夠正確檢測當前的各個系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并做出正確的控制和調(diào)節(jié)[5]。

1.2 設(shè)計原則

控制電路可靠性的高低和使用的元器件關(guān)系很大，并不是越貴越好，應(yīng)該根據(jù)使用環(huán)境去選擇最合適的元器件[6]。在一般情況下，以保證控制電路的基本功能為前提，可以按照以下幾點要求設(shè)計。

圖1 控制電路功能框圖Fig.1 Functional block diagram of control circuit

1）盡可能選用數(shù)字元器件，少用或者不用模擬器件；多選用集成度較高的器件，少用集成度較低的器件；盡量使用功耗小的元器件。

2）盡量選用質(zhì)量等級高的器件，將繼電器、開關(guān)等器件的使用數(shù)量降至最低。

3）選用無源器件，盡量少使用有源器件。

5）應(yīng)該根據(jù)介質(zhì)損耗、頻率、耐壓、容量變化以及溫度系數(shù)等指標選擇電容。少用鋁電解電容器；

6）不選用未經(jīng)設(shè)計定型的新研元器件、已停產(chǎn)或?qū)⒁．a(chǎn)的電子元器件。

7）在確定合適的器件后，在使用時應(yīng)符合降額設(shè)計的要求，不同的器件，降額的方法是不同的[7]。基本方法如下：

①電阻的降額方法是降低功率比；

②電容是降低工作電壓；

③半導(dǎo)體器件的降額方法是降低工作功耗；

④數(shù)字集成電路則通過降低周圍環(huán)境溫度和電負荷來降額。

2 電路可靠性設(shè)計

2.1 電源保護電路設(shè)計

場監(jiān)雷達控制電路的供電電源可能傳輸距離較遠，為了減少線路上的衰減，應(yīng)采用較大電壓（12 V以上）的直流電源輸入，同時在控制電路的電源輸入點進行相應(yīng)的保護設(shè)計，如圖2所示。

圖2 電源保護電路Fig.2 Protection circuit of power supply

因為12 V電壓較大，防止出現(xiàn)短路時對電路造成較大傷害，故在輸入端串聯(lián)自恢復(fù)保險絲?？刂齐娐芬话阈枰? V和3.3 V的電源品種，所以采用LDO器件進行電壓轉(zhuǎn)換。因為5 V電壓會輸出到其他接口，在極限情況下會因為外界的影響導(dǎo)致電壓出現(xiàn)波動，而添加穩(wěn)壓二極管2CW5232可以對電路起到保護作用。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，當穩(wěn)壓二權(quán)管兩端的反向電壓在—定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，流過穩(wěn)壓管的反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，當去掉反向電壓之后，穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常。

在該電路中，采用了雙電容串聯(lián)設(shè)計，因為電容損壞后的失效模型大多表現(xiàn)為短路，當電容損壞后，另一電容仍然可以起到濾波的作用。

2.2 輸入信號的隔離設(shè)計

控制電路為了避免被監(jiān)測部件對自身的影響，對輸入信號均采用光耦進行隔離，如圖3所示。

圖3 輸入信號的光耦隔離Fig.3 Coupler isolation of input signal

在信號輸入端，為了對自身進行保護，利用二極管的單向?qū)щ娦?，對輸入電平進行了限位設(shè)計。如圖4所示。

圖4 輸入限位設(shè)計Fig.4 Design of limited input signal

二極管具有正向?qū)?，反向截止的特性，利用這種特性，對輸入端的電平進行限位。當正常工作的時候，兩個二極管都處于截止狀態(tài)，當電壓不再正常范圍內(nèi)時，其中一路二極管會導(dǎo)通，將電平拉到正常范圍內(nèi)，可對板內(nèi)的器件起到保護作用。

2.3 控制信號的冗余設(shè)計

控制電路負責(zé)雷達的天線轉(zhuǎn)動，發(fā)射開關(guān)機等關(guān)鍵控制，誤操作會帶來嚴重的后果，所以可靠性顯得尤為重要，根據(jù)二極管的PN結(jié)較大，不易被擊穿的特點，采用二極管來實現(xiàn)輸出信號的冗余設(shè)計，具體設(shè)計如圖5所示。

從FPGA的兩個引腳中輸出同一信號，經(jīng)過驅(qū)動后，分別通過兩個二極管后并聯(lián)在一起，通過一個下拉電阻（等效阻值為10 kΩ）后，輸出給被控制件，具體分析如下：

圖5 控制信號的冗余設(shè)計Fig.5 Redundancy design of control signal

1）正常工作時，雙路同時輸出到一點，因為二極管的單向?qū)щ娦?，從最大程度上阻止了輸出端的電流倒灌，保護了接口芯片；

2）當并聯(lián)輸出的兩路，任何一路發(fā)生斷路時，二極管的正向壓降不足以使二極管導(dǎo)通，則該路的二極管一直處于截止狀態(tài)，同時，另外一路可正常工作。

3）當并聯(lián)的兩路任何一路發(fā)生短路時，并且為低電平時，該路的二極管的正向壓降不足以使二極管導(dǎo)通，則該路的二極管一直處于截止狀態(tài)，同時，另外一路可正常工作。

4）當并聯(lián)的兩路任何一路發(fā)生短路時，并且為高電平時，該路的二極管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出恒為高，造成的結(jié)果就是機箱監(jiān)控一上電，該路的輸出電平恒為高，此時會出現(xiàn)故障。在這種情況下，可通過回讀到FPGA里的信號判斷出哪路發(fā)生故障，并對相應(yīng)故障路的buffer器件使能信號進行自動關(guān)閉，同時另外一路可以進行正常的控制。

5）綜上所述，本電路只有在兩路同時故障時，輸出才會表現(xiàn)為故障，相對于單路輸出控制電路，實現(xiàn)了熱冗余設(shè)計，可靠性大大提升。

3 結(jié)束語

場面監(jiān)視雷達是一種主動探測雷達，對于保證機場內(nèi)部的交通安全具有重要的意義，需要長周期、全天時工作，而控制電路作為雷達的“大腦”，其自身的可靠性和控制的準確性都顯得尤為重要。本文根據(jù)場監(jiān)雷達的特點及工程需求分析了控制電路的設(shè)計需求，提出了提高控制電路可靠性的設(shè)計方法及工程實現(xiàn)技術(shù)。這些技術(shù)很好的解決了控制電路長時間可靠穩(wěn)定工作的要求。

[1]李斌，張冠杰．場面監(jiān)視雷達技術(shù)發(fā)展綜述[J]．火控雷達技術(shù)，2010（2）：1-7．LI Bin，ZHANG Guan-jie.Overview on surface movement radar technology development[J].Fire Control Radar Technology，2010（2）:1-7．

[2]金文．場面監(jiān)視雷達的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國民用航空，2011（9）：48-50．JIN Wen.Application and development of Surface Movement Radar[J].Civil Aviation of China，2011（9）:48-50.

[3]張睿，孔金鳳．機場場面監(jiān)視技術(shù)的比較及發(fā)展[J]．中國西部科技，2010（1）：32-35．ZHANG Rui，KONG Jin-feng.Comparison and development ofsurface movementradartechnology[J].Science and Technology of West China，2010（1）:32-35．

[4]顧春平．空中交通管制監(jiān)視新技術(shù)簡介[J]．現(xiàn)代雷達，2010（9）：1-5．GU Chun-ping.Introduction ofnew ATC surveillance techniques[J].Modern Radar，2010（9）:1-5．

[5]張毅．加速度信號調(diào)理電路設(shè)計及仿真 [J]．電子設(shè)計工程，2012（1）：98-100．ZHANG Yi.Design of accelerator signal conditioning circuit and simulation[J].Electronic Design Engineering，2012 （1）:98-100.

[6]黃翌．氣球控制中的雙機冗余設(shè)計[J]．信息與電子工程，2010（6）：357-360．HUANG Yi.Dual-host redundancy design on safe control of balloon[J].Information and Electronic Engineering，2010（6）:357-360．

[7]胡旭，張宏偉，劉靜．基于FPGA技術(shù)的雷達開機控制系統(tǒng)仿真[J]．信息技術(shù)，2011（4）：124-126．HU Xu，ZHANG Hong-wei，LIU Jing.Simulation of radar operation control system based on FPGA[J].Information Technology，2011（4）:124-126．