儀表著陸系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備調(diào)制功放的設(shè)計(jì)

摘要：幅度調(diào)制和功放是儀表著陸系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備必不可少的一部分。文章對(duì)其進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。通過對(duì)雙平衡混頻器的特殊應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅調(diào)制器。加了一級(jí)功放，并用ADS軟件仿真并設(shè)計(jì)了一個(gè)四階的低通濾波器。各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。
關(guān)鍵詞：儀表著陸系統(tǒng)；混頻器調(diào)制；幅度調(diào)制；功放

0 引言
    一般調(diào)幅調(diào)制器都用模擬乘法器來實(shí)現(xiàn)，把混頻器用作調(diào)幅調(diào)制器的很少。
    ILS(Instrument Landing System)儀表著陸系統(tǒng)是國(guó)際范圍內(nèi)被廣泛運(yùn)用于航空器進(jìn)近和著陸的一種輔助導(dǎo)航設(shè)備，在國(guó)內(nèi)的機(jī)場(chǎng)使用也相當(dāng)普遍。這個(gè)系統(tǒng)由機(jī)載航向、下滑、指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī)和地面航向、下滑、指點(diǎn)信標(biāo)發(fā)射機(jī)組成，它為飛機(jī)提供對(duì)準(zhǔn)跑道的航向信號(hào)和指導(dǎo)飛機(jī)下降的下滑道信號(hào)，再加上適當(dāng)?shù)木嚯x指示信號(hào)，使飛機(jī)能在低的能見度和惡劣天氣條件下借助這些儀表提供的信號(hào)指示安全著陸，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的安全盲降。而儀表著陸系統(tǒng)的測(cè)試是ICNI設(shè)備的功能之一。ICNI(Integrated Communication／Navigation／Identificat ion)，全稱是綜合通訊導(dǎo)航辨認(rèn)系統(tǒng)。調(diào)制功放是ICNI設(shè)備儀表著陸系統(tǒng)測(cè)試中發(fā)射單元的必不可少的一部分。

1 幅度調(diào)制的基本原理
    設(shè)調(diào)制信號(hào)為單一頻率的余弦波，有
    Ua(t)=(Uam*Cos(2πfa*t)     (1)
    載波信號(hào)為
    Uc(t)=(Ucm*Cos(2πfc*t)     (2)
    由于實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制后載波頻率保持不變，調(diào)幅波的振幅和調(diào)制信號(hào)成正比，設(shè)載波信號(hào)的初相位為0，則已調(diào)波的表達(dá)式為
    UAM=Ucm*[(1+Ma*Cos(2πfa*t+ψ)]*Cos(2πfc*t)
    =Ucm*Cos(2πfc*t)+Ma*Ucm*Cos[2π(fc+fa)*t+ψ]／2+Ma*Ucm*Cos[2π(fc-fa)*t-ψ]／2      (3)
    其中UAM是調(diào)制幅度，Ucm是載波幅度，Ma是調(diào)制度，fa是音頻信號(hào)的頻率，ψ是音頻信號(hào)的初相位，fc是載波信號(hào)的頻率，t是時(shí)間。
    如果調(diào)幅電壓所帶的負(fù)載為電阻R，則載波功率為
    P0=Ucm2／2R      (4)
    邊頻功率為
    P1=P2=(Ma*Ucm／2)2／2R=(Ma2／4)*P0      (5)
    調(diào)幅波輸出的平均總功率為
    P總=P0+P1+P2=(1+Ma2／2)*P0              (6)
    式(6)表明，調(diào)幅波輸出平均總功率不只是由載波功率決定的，還和調(diào)制度有關(guān)。載波功率一定時(shí)，總輸出功率隨著調(diào)制度的增大而增大。

2 混頻器調(diào)制和功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    雙平衡混頻器可以用作二極管低電平調(diào)幅電路，其原理可參照二極管環(huán)形調(diào)制器。這是雙平衡混頻器用作調(diào)幅調(diào)制器的特殊用法，和混頻器的普通用法不同，需要特殊應(yīng)用?；祛l器用作調(diào)幅調(diào)制器時(shí)，射頻信號(hào)從RF(射頻)端口輸入，音頻信號(hào)從IF(中頻)端口輸入，調(diào)制信號(hào)從LO(本振)端口輸出。而用作混頻器時(shí)，輸入信號(hào)是從RF和LO端口輸入，IF端口作為輸出。這是主要的不同。當(dāng)然，接口方式不同，功能也就不同。
    電路原理方框圖如圖1所示。

    本文選用mini-circuits公司的ADE-1ASK來進(jìn)行幅度調(diào)制。ADE-1ASK是一種雙平衡混頻器，LO功率為+7dBm時(shí)，LO和RF端口輸入頻率范圍為2～600MHz，IF端口輸入頻率范圍為DC～600MHz，完全覆蓋航向和下滑頻段(航向頻段為108～112MHz，下滑頻段為328～336MHz)，音頻信號(hào)為90Hz和150Hz的合成信號(hào)，也滿足IF端口的輸入條件。該混頻器的1dB壓縮點(diǎn)輸入功率為+1dBm。
    音頻信號(hào)要疊加上DC，因此通過加法器結(jié)合，為了調(diào)試方便，在輸入處各自放一個(gè)電位器來實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。其中，加法器中的運(yùn)放選用MC1458I。在各端口間都做一些濾波處理。
    功放管選擇mini-circuits公司的ERA-8SM+，該功放管是單片放大器，頻率DC～2GHz，增益為+31．5dB，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率為+12．5dBm 3．7V供電，兩端口為50Ω內(nèi)部匹配阻抗。
    接著用ADS軟件仿真并設(shè)計(jì)了一個(gè)四階的低通濾波器，用于抑制二次諧波和三次諧波。

    調(diào)制功放的電路原理圖如圖2所示。航向電路和下滑電路的頻段不同，它們的主要區(qū)別是濾波網(wǎng)絡(luò)。不同的元件值分別為：航向電路中，L1=L4=L5=L6=L7=68nH，C3=C4=C14=C18=39pF，C15=C16=C17=82 pF；下滑電路中，L1=L4=L5=L6=L7=1 8nH， C3=C4=C14=C18=12pF，C15=C16 =C17=27pF。

3 調(diào)試與測(cè)試結(jié)果
    電路板裝配完成后，經(jīng)過一些調(diào)試，常溫條件下測(cè)得的結(jié)果如下：
    通過Agilent的DSO6034A示波器觀測(cè)，音頻信號(hào)與DC的大小必須搭配合適才能保證調(diào)制波形不失真，DC輸入在40～60mV之間為最佳，音頻信號(hào)一般在200mVp-p(峰峰值)以內(nèi)。90Hz單音調(diào)制波形如圖3所示，1路是調(diào)制波形(黃色)，2路是音頻信號(hào)波形(綠色)。由Agilent的E4417A功率計(jì)測(cè)得，輸出功率為+6dBm，平坦度在0．5dB以內(nèi)。通過單位自制的ILS／VOR／MKR信號(hào)分析儀測(cè)得，不失真情況下，幅度調(diào)制深度能達(dá)到90％以上。由Agilent的E4407B頻譜儀測(cè)得，二次諧波抑制達(dá)到-80dB以下，三次諧波抑制達(dá)到-90dB以下。

4 結(jié)論
    本文用混頻器實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅調(diào)制器的功能，驗(yàn)證了這種方法的可行性。實(shí)現(xiàn)了儀表著陸系統(tǒng)測(cè)試儀航向信標(biāo)和下滑信標(biāo)的90Hz和150Hz的音頻幅度調(diào)制，不失真情況下調(diào)制深度能達(dá)到90％以上；實(shí)現(xiàn)了航向和下滑信標(biāo)調(diào)制信號(hào)的功率放大，輸出功率+6dBm；常溫測(cè)試的平坦度0．5dB以內(nèi)；諧波抑制達(dá)到-80dB以下。指標(biāo)滿足儀器要求。