趙宇偉

摘要：近幾年民航各地方空管局陸續(xù)更新安裝全新的INDRA DVOR VRB-53D型全向信標(biāo)系統(tǒng)。針對(duì)此套新的全向信標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)理論分析闡述了載波和邊帶信號(hào)的相位控制調(diào)整以及誤差來(lái)源，為民航安徽省空中交通管理分局啟動(dòng)了新一代DVOR/DME平臺(tái)的搭建工作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：全向信標(biāo);相位調(diào)整;偏移;誤差來(lái)源

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.086

0引言

全向信標(biāo)定相涉及到載波信號(hào)相位與邊帶信號(hào)相位之間的正確關(guān)系。在VRB-53D中，兩個(gè)邊帶之間的相位始終是正確的。這是因?yàn)閮蓚€(gè)邊帶信號(hào)都使用DDS（數(shù)字直接合成技術(shù)），并且來(lái)自同一個(gè)信號(hào)源。從DVOR天線環(huán)上相對(duì)于中央天線對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)天線輻射到空間的邊帶信號(hào)也已經(jīng)均衡。下面，將會(huì)詳細(xì)闡述全向信標(biāo)定相的理論基礎(chǔ)。

1全向信標(biāo)定相理論

在DVOR中，RF定相的目的是確保載波和兩個(gè)邊帶信號(hào)在空間合成后，形成一個(gè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)幅信號(hào)。在這個(gè)里調(diào)制信號(hào)是9960Hz副載波。如果這三個(gè)信號(hào)之間的相位關(guān)系不正確，則產(chǎn)生的調(diào)幅信號(hào)將嚴(yán)重失真或幅值偏低。

在DVOR中，天線環(huán)上任意點(diǎn)處邊帶和載波的“同相”條件被定義為產(chǎn)生最大副載波（9960Hz）振幅的相位。這在圖1（1）的矢量圖中表示。

在這個(gè)圖中，上邊帶（USB）和下邊帶（LSB）在載波方向上的相位差是相等的?！巴唷毙盘?hào)的必要條件是，在任意時(shí)刻，兩個(gè)邊帶與載波之間的夾角相等，但方向相反（或兩者都為零）。這個(gè)角度φ如圖1（1）所示。

如果兩個(gè)邊帶相對(duì)于載波的相位在相反的方向上移動(dòng)相等的量則不影響空間合成效果。只要兩個(gè)邊帶信號(hào)相對(duì)于載波之間的相位是相等的，那么依然滿(mǎn)足“同相”條件。以這種方式移相的效果是在載波上引起合成AM的移相。

上面的描述用代數(shù)的方式描述如下：

如果：

載波=cosωct

那么：

上邊帶（USB）=KUcos（（ωc+ωm）t+U）

下邊帶（USB）=KLcos（（ωc+ωm）t+L）

其中：

KU，KL是邊帶信號(hào)的幅度;

ωC是載波的角頻率;

ωm是調(diào)制信號(hào)的角頻率;

U是上邊帶相位（相對(duì)于載波信號(hào)）;

L是下邊帶相位（相對(duì)于載波信號(hào)）。

三個(gè)信號(hào)之和的包絡(luò)將是：

E=1+Kcos（ωmt+r）

條件是KU=KL，且K=KU+KL，U+L2=0

例如：U=-L=r

當(dāng)兩個(gè)邊帶相對(duì)于載波的相相位差不相等時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)相位失調(diào)的情況。如圖1（2）中矢量圖所示。這里USB落后載波1并且LSB領(lǐng)先載波2。兩個(gè)邊帶的合成矢量R與載波不在同一相位上。以下兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)“同相”條件：

（1）改變載波相位和邊帶合成矢量R一致。

（2）改變一個(gè)邊帶的相位，使合成矢量R與載波一致。

2相位調(diào)整的基礎(chǔ)

用于調(diào)整DVOR中的邊帶相位的方法基于以下原理：當(dāng)載波與上、下邊帶合成矢量相差90°時(shí)，副載波調(diào)制為零。對(duì)組合信號(hào)的數(shù)學(xué)分析表明，調(diào)幅的包絡(luò)在基本調(diào)制頻率（ωm）下不包含任何分量，當(dāng)U+L2=±90°時(shí)，如圖1（3）所示。

調(diào)整這個(gè)零點(diǎn)比嘗試調(diào)整最大副載波幅度要“更加銳利”。

改變載波相位90°相當(dāng)于改變一個(gè)邊帶的相位180°。固定相移可以應(yīng)用于LSB（理論上180°，但通常更小。），然后將USB調(diào)整為0。然后，固定相移（或預(yù)設(shè)值）被移除，以使信標(biāo)正確定向。此相位預(yù)設(shè)是通過(guò)對(duì)LSB應(yīng)用相位延遲來(lái)產(chǎn)生的。LSB的預(yù)設(shè)值可以通過(guò)下式給出：

預(yù)設(shè)值=2×（90°-偏移）

其中“偏移”為載波相位從“共線”相位設(shè)置中偏移的量（偏移的典型值是8°，預(yù)設(shè)值就等于164°）。

3誤差來(lái)源

本文前面描述的理想條件僅適用于天線環(huán)上的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)邊帶圍繞天線環(huán)切換時(shí)，會(huì)發(fā)生相位變化。這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)相位誤差源：天線陣效應(yīng)和近場(chǎng)效應(yīng)。

3.1天線陣效應(yīng)

天線陣效應(yīng)（就是天線互耦）導(dǎo)致接收機(jī)從“切向”天線接收的信號(hào)延遲從“共線”天線接收的信號(hào)（關(guān)于接收點(diǎn)位置，見(jiàn)圖2）。這意味著，當(dāng)邊帶從“共線”天線輻射時(shí)，如果載波和邊帶合成矢量是同相的，那么當(dāng)“切線”天線發(fā)生輻射時(shí)，載波將超前邊帶合成矢量。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DVOR臺(tái)站，這個(gè)誤差通常是16°。通過(guò)將相位調(diào)整到這兩個(gè)點(diǎn)之間的中間位置，使誤差減小到±8°，可以將這種影響降至最低。在VRB-53D中，由于信號(hào)補(bǔ)償，天線耦合度大大降低，相位差滯后最小化。

3.2近場(chǎng)效應(yīng)

近場(chǎng)效應(yīng)僅發(fā)生在當(dāng)接收機(jī)位于“近場(chǎng)”的區(qū)域。這是由于從接收機(jī)到載波天線的距離小于從接收機(jī)到“切線”天線的距離。這個(gè)距離D，如圖2所示。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)接收機(jī)（大于1500米），這個(gè)誤差可以忽略不計(jì)。

當(dāng)從切線天線輻射時(shí)，這種效應(yīng)導(dǎo)致邊帶滯后于載波。距離載波天線80米處的監(jiān)視器天線接收到的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)邊帶滯后載波大約40°。理想情況下，信標(biāo)的邊帶相位應(yīng)使用遠(yuǎn)場(chǎng)接收器進(jìn)行調(diào)整。然而，由于近場(chǎng)效應(yīng)只會(huì)使“切線”天線失去“同相”，因此使用正常監(jiān)視天線（80米處）并觀察“共線”天線的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，可以獲得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

4近場(chǎng)監(jiān)控天線效應(yīng)

近場(chǎng)監(jiān)視天線接收到的副載波信號(hào)比遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視天線接收到的副載波信號(hào)具有更多的60Hz寄生調(diào)幅。這是因?yàn)楫?dāng)從“切線”天線輻射時(shí)，由于近場(chǎng)效應(yīng)，邊帶的相位滯后。這種相位誤差會(huì)導(dǎo)致副載波幅度降低（在“切線”點(diǎn)），從而導(dǎo)致副載波上的AM增加。當(dāng)副載波調(diào)幅深度在遠(yuǎn)場(chǎng)（大于1500米）中小于40%時(shí)，那么從80米處的監(jiān)視器天線上觀察，調(diào)幅深度將小于55%。

5結(jié)束語(yǔ)

DVOR VRB-53D作為新一代的全向信標(biāo)系統(tǒng)，與以往的Thales DVOR432的主要不同在于相位控制等主要功能集中在DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）芯片中完成。直接數(shù)字合成以及調(diào)制相比于以前的模擬合成調(diào)制方式抗干擾性能得到加強(qiáng)，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，給設(shè)備維護(hù)工作帶來(lái)了便利。通過(guò)對(duì)載波和邊帶信號(hào)的相位控制調(diào)整以及誤差來(lái)源的理論分析，為今后設(shè)備的技術(shù)保障工作打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Indra.DOPPLER VOR MODEL VRB-53D Technical Handbook[Z].2012-03-16.

[2]倪育德，盧丹.導(dǎo)航原理與系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.