无方向信标入门.docx

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无方向信标入门

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东苑电脑工作室编写

一、无方向信标台

二、无方向信标的组成

三、T型天线的计算

四、无方向信标的调谐与匹配

一、无方向信标台

1、无方向信标台

无方向信标台，也叫做NDB，出现在1937年，是最早用于航空导航的无线电设备。

无方向信标工作在中长波，它是一种能给飞机上的无线电罗盘提供位置线的无线电发射机，也称中波导航机。

无方向信标台通常建设在机场附近或航路、航线上。

图1无方向信标台

2、两种无方向信标台

通常在机场跑道延长线上各建设两个无方向信标台。

一个距离跑道端1公里的信标台叫做近台，另一个距离跑道7公里的信标台叫做远台。

这两个信标台起引导飞机进近着陆的作用。

这两个导航台通常叫做双归航台，可以引导飞机对准跑道，穿出云层，安全下降到50米以下，然后进行目视着陆。

近台的发射功率通常为100W；

远台和航路导航台的发射功率通常为500W。

3、无方向信标台发送的信息

无方向信标台不间断地发射连续载波信号，每8秒以调幅方式发射一次识别码。

近台的识别码使用一个字母表示，远台和航路导航台使用两个字母表示，使用莫尔斯电码编码而成，调制音频为1020Hz。

也就是说，识别码是采用调幅电报形式发送的。

无方向信标在不发射识别码时，只发射等幅载波信号，供飞机自动定向机测定无方向信标台的方位使用。

无方向信标发射调幅的识别码，可以防止发射识别码过程中引起自动定向机指针摆动。

对于远台来说，应当具备发射调幅的功能，以便当飞机通信设备发生故障时，驾驶员可以利用自动定向机来接收地面的指挥信号

4、无方向信标的天线

近台天线高度一般为10米，远台和航路导航台的天线架设高度为30米，由于天线高度远低于

λ，所以，天线呈电容性。

为了调谐天线，需要在天线调谐器上，增加电感分量。

图2宽T形天线

宽T形天线的水平方向图是一个圆，也就是在水平面上的无方向性。

宽T形天线的垂直方向图如下：

图3宽T形天线的垂直方向图

由此可见，宽T形天线是地波天线。

在T型天线的上空是一个寂静锥区，飞机通过无方向信标台的上空时将收不到信号。

5、地网

为了得到良好的发射效果，台站应铺设地网，接地电阻应小于1

。

图4地网的结构

二、什么是脉宽调制

1、什么是脉冲？

在数字电路课程中，我们学过了脉冲，单个脉冲，周期性序列脉冲，矩形脉冲，微分脉冲，等。

一个脉冲周期性脉冲序列

图5脉冲的波形

描述一个脉冲，需要使用两个物理量，一个是幅度，一个是脉宽。

描述一个周期性序列脉冲，需要有5个物理量，它们是：

幅度，脉宽，周期，频率，占空比。

在周期性脉冲序列中，脉冲宽度与脉冲周期的比值叫做占空比。

假设脉冲宽度为

，周期为T，则占空比

2、脉冲调制

周期性序列脉冲是不含有任何信息的，我们可以把周期性序列脉冲当作一个载波，然后将音频信号调制到这个脉冲序列上，这就形成了脉冲调制。

常见的脉冲调制方式有脉幅调制和脉宽调制。

如果使周期性脉冲序列的幅度随着音频信号成比例地变化，这就是脉幅调制，记做PAM，见下图。

图6脉幅调制波形图

如果使周期性脉冲序列的脉冲宽度随着音频信号成比例地变化，则为脉宽调制，记做PWM，见下图。

图7脉宽调制波形图

3、数字功率放大器

数字功率放大器是一种D类功率放大器。

它采用脉宽调制（PWM）技术，将音频信号转换成脉宽调制信号，使功放管工作在开关状态。

根据电子技术理论，晶体管工作在开关状态时，具有最高的工作效率，即具有最大的功率输出，而最小的耗散功率。

在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。

当功放管采用场效应管时，它的导通电阻更小。

在额定输出功率时，数字功率放大器的效率可以达到90%。

数字功率放大器一般由前置放大级、脉宽调制、脉冲功率放大与低通滤波器四个部分组成，其中脉宽调制和脉冲功率放大是数字功率放大器的核心。

脉宽调制一般采用比较积分的方法产生PWM信号。

通常，数字音频功率放大器的原理方框图如图8所示。

图9为其各点工作波形示意图，其中Vi为输入音频信号；V1为锯齿波与输入信号进行比较的波形；V2为调制器输出的脉冲（脉宽调制波形）；V3为功率放大器放大后的脉宽调制脉冲；Vo为低通滤波后的音频信号。

图8数字功率放大器原理方框图

图9各点的电压波形图

三角波经过调制后得到正弦脉宽调制波形，这种周期信号的频谱是一种离散频谱。

对于信号频率为fo，载频频率为f1的调制信号，其频谱主要分布在fo和nf1的谱线上。

当f1＞fo时，调制信号通过低通滤波器后，载频被抑制，很容易分离出语音信号。

数字功率放大器具有体积小，额定输出功率大等特点，在现代高质量音频功率放大器中普遍采用数字功率放大技术。

三、无方向信标的组成

1、无方向信标的工作原理

无方向信标机是一个自动拍发识别码信号的调幅发射机。

在生产设计无方向信标机时，考虑到提高无方向信标的工作效率，降低本身功耗。

为此，在无方向信标机中，采用了以下两种技术：

（1）高频功率放大器采用了D类放大设计；

（2）在放大1020Hz音频功率的过程中，使用了脉宽调制技术。

将1020Hz的音频信号转变成了脉宽调制信号，然后进行功率放大，以产生足够功率的脉冲调制电压，经过低通滤波器，还原成1020Hz音频调制信号。

这就是脉宽调制式调幅发射机。

NDB500脉宽调制式无方向信标的外形和组成原理图如下。

图10国产NDB500无方向信标

下图为脉宽调制式调幅发射机的组成原理图，它是由激励器、中间放大器、功率放大器、识别码产生电路、识别音频振荡器、脉宽调制器、脉冲放大器、调制级、低通滤波器等组成。

图11脉宽调制式调幅发射机组成原理图

在无方向信标使用的脉宽调制电路中，将包含识别码信息的音频信号进行脉冲调制处理，产生的是单极性脉宽调制信号，也就是说，经过低通滤波器之后，得到的是直流加音频电压信号。

这样的调制电压正好符合作为调幅功率放大器调制电压兼直流电源的需求。

在额定载波功率输出时，并且在不发射识别码的时候，通常设计脉宽调制信号的占空比为40%左右。

在对识别音频进行100%满调幅时，脉宽调制信号的最大占空比为80%，最小占空比为20%。

识别码电路产生的是由1个或2个字母组成的莫尔斯电报码，通过控制1020Hz的振荡器输出，产生音频识别码。

音频识别码经过数字功率放大后，在低通滤波器输出端产生足够功率的调制电压，加到射频功率放大器的直流电源输入端，在射频功率输出端产生调幅波，完成调幅任务。

四、无方向信标的单元原理图

1、单元电路说明

在射频驱动器内部包含有晶体振荡器、分频器和脉冲驱动放大器，输出为载波矩形波，送调制功率放大器。

识别码产生器，输出1020Hz的识别码信号，送到调制驱动器进行脉宽调制。

调制驱动器内部有一个70kHz的振荡器，经积分后变成三角波，作为脉宽调制器的载波输入。

从调制驱动器输出的是70kHz的脉宽调制信号。

70kHz的脉宽调制信号经过低通滤波器，被还原成1020Hz的音频正弦波信号，对功率放大器进行调幅。

由于功率放大器工作在D类，所以，调制功率放大器输出的波形为识别码调制的矩形脉冲调幅波。

经谐波滤波器滤去谐波后，输出标准的调幅波。

2、石英晶体振荡器

无方向信标采用的是晶体振荡器，具有很高的频率稳定度。

石英晶体存在一个自己固有的振动频率。

当在石英晶体两端加上交流电时，石英晶体就开始振动。

当交流电的频率与石英晶体的固有振动频率相等时，晶体片就产生了共振。

此时，机械振动的幅度最大，在晶体表面产生的电荷最多，对外呈现的交流电流也就最大，也就是说，石英晶体具有谐振电路的特性。

石英晶体的固有谐振频率与晶体的切割尺寸有关，晶体切片越薄，固有谐振就越高。

石英晶体的等效电路图如下。

图12石英晶体等效电路图

由以上等效电路可知，石英晶体有两个自然谐振频率，一个是串联谐振频率

，一个是并联谐振频率

，

。

在

之间，石英晶体呈电感性。

下图是一个常用的石英晶体振荡器电路图，叫做并联性晶体振荡器。

在下面的电路图中，石英晶体成电感性，谐振电路满足电容三点式振荡器组成原则。

图13并联性晶体振荡器电路原理图

在NDB使用的晶体振荡器，见下图。

图中，石英晶体Y1等效为一个电感，由电容器C2和C6组成了分压电路，与Y1组成谐振回路。

图14石英晶体振荡器电路图

石英晶体振荡器的振荡频率一般在2MHz以上，为了产生无方向信标载波频率，还需要对晶体振荡器进行分频。

3、1020Hz音频振荡器

先认识一下单T型带阻滤波器，见下图所示，其输入输出特性对某一个频率呈高阻抗状态。

图15单T型带阻滤波器

这个带阻滤波器的中心频率为：

在NDB中，1020Hz音频振荡器见下图。

R17、R20、C3、C4组成一个单T型带阻滤波器，这个有源带阻滤波器的中心频率为1020Hz。

这个单T型带阻滤波器以负反馈电路的形式接入U7A中，形成一个选频反相放大器，U7A反相放大器在1020Hz频率上具有最大电压增益。

这个反相放大器与U7B组成的反相放大器一起级联，共同构成同相正反馈放大器，形成振荡。

在U7A组成的反相放大器中，由于单T网络作为负反馈支路接入到反相输入端，所以，该放大器的电压放大倍数与频率有关。

对于1020Hz来说，单T网络的阻抗最大，所以，U7A放大器的电压放大倍数最大，所以，该振荡电路的振荡频率为1020Hz。

图161020Hz振荡器

4、脉宽调制器的工作原理

普通音频功率放大器的效率是很低的，如果将放大识别码音频信号的任务交给脉宽调制器去完成，整个放大器就变成了脉冲放大器，将放大后的脉宽调制信号通过一个低通滤波器，即可恢复音频信号。

下面是一个脉宽调制器的工作原理图。

图17脉宽调制器电路原理图

图18脉宽调制器工作原理图

图19正弦调制时脉宽调制器脉冲输出波形图

在脉宽调制器控制端输入的控制电压就是一个直流电压加1020Hz的识别码音频电压，直流电压代表载波电压。

调整直流电压的大小，就可以改变载波输出功率的大小，直流电压越高，则相应的载波输出功率就越大。

控制电压波形见下图所示。

图20正弦调制时脉宽调制器脉冲输出波形图

也就是说，在脉宽调制信号中包含了载波和识别码信息。

当无方向信标不发射识别码时，脉宽调制器输出脉宽固定的序列脉冲，在额定功率输出时，占空比为40%。

占空比越高，发射机的输出功率就越大。

当无方向信标发射识别码时，脉宽调制器输出可变脉宽的序列脉冲。

在调幅度为90%的情况下，脉宽调制器输出的序列脉冲占空比在4%~76%之间呈线性变化。

因为脉宽调制放大器放大的是脉冲信号，所以，其工作效率是很高的。

采用脉宽调制电路的发射机，因此也被称呼为脉宽调制式发射机。

5、125W桥式功率放大器

在图中，四只场效应功放管组成一个桥式功率放大器，也叫做BTL放大器。

桥式功率放大器是目前工作效率最高的功率放大器。

从图中可见，这四只管子均为直流零偏置，也就是说，它们全部工作在开关状态下，具有很小的功耗和很高的工作效率。

图21125W功率放大器原理图

在射频输入电压正半周时，Q1、Q4导通，输出电流从输出变压器的2端流入，从1端流输出。

图22在射频电压正半轴时工作原理图

而在射频输入电压负半周时，Q2、Q3导通，输出电流从输出变压器的1端流入，从2端流出，形成完整的一个周期。

图23在射频电压负半轴时工作原理图

该功率放大器的电源是直流加识别码音频调制信号，这是一个场效应管漏极调制器。

功率放大器工作在过压状态，在调制电压的作用下，形成1020Hz调幅波。

每一只场效应管的漏源之间连接有一只二极管，这些二极管的用途是为了保护场效应管。

在场效应管截止期间，在其漏源之间有很高的反向电压，这个反向电压加在二极管上，使得二极管导通，使得场效应管两端的电压不足1V。

同时，流过二极管的电流最终流回到输出变压器，形成射频脉冲电流回路。

IRF140为铁壳的大功率绝缘栅场效应晶体管，最大耗散功率为125W，最大漏源电压BVdss不小于100V。

6、组成500W无方向信标发射机

使用4个125W的功率放大器，采用功率合成技术，同相输出，功率相加，可以形成500W的输出功率。

图24500WNDB组成方框图

7、谐波滤波器的工作原理

谐波滤波器是一个中心频率为载波频率的带通滤波器，它是利用串联谐振和并联谐振的原理制成的。

图25谐波滤波器电路原理图

在谐波滤波器中，串臂上采用的是串联谐振电路，在并臂上，采用的是并联谐振电路，二者谐振频率是相同的，均谐振与载波频率。

当载波频率的正弦波通过谐波滤波器时，串臂阻抗最小，呈现低电阻性，并臂阻抗最大，呈现为高阻抗特性。

也就是只有载波频率的正弦波才能通过滤波器，即呈现为带通特性。

对于载波频率的二次、三次、以及高次谐波，均不能通过谐波滤波器。

从功率放大器送过来的载波矩形波脉冲，通过谐波滤波器之后，就变成以载波为中央频率的正弦调幅波了。

谐波滤波器的频率特性

图26谐波滤波器的频率特性图

8、监控器的作用

为了保证导航信号的可用性，无方向信标安装有监控器，由监控器将持续监视信标发射机的输出功率、识别码调制度和识别码这三个参数。

在谐波滤波器中，有一个定向耦合器，可以对发射机的正向功率和反射功率进行取样，然后送到监控器电路中。

当监控器监测到这三个参数有以下变化时：

（1）当监控器检测到发射机输出功率下降到正常值的50%时，

（2）或者调制度下降到60%以下时，

（3）或者不发射识别码时。

无方向信标应产生换机，或者关闭。

10、监控器的旁路

为了维护设备的方便，无方向信标设置有监控器旁路开关。

当监控器开关处于旁路位置时，监控器仍然测量发射机的工作参数，但超出门限时，设备不换机，不关机。

五、T型天线的计算

1、T型天线的结构

图27T型天线的结构与驻波电流分布图

T形天线是在直立天线顶端加上一个对称的水平导线组成，水平导线上两边的电流大小相等，方向相反，所以它是不发射电波的，只是相当于顶端负荷。

天线加顶以后，天线的高度并未增加，但天线顶端到地的分布电容加大了。

这就相当于加高了天线，所以天线顶端的电流分布值不再为零，而且整个天线上的电流分布值相应地增大了，使天线电流的波腹上移，这样就大大提高了天线的辐射效率。

T形天线的方向性和直立天线相同，但是效率比较高。

实用中，水平部分也有由3-4根并列的导线组成。

这种天线通常称为宽T形天线，较宽的水平部分增加与地之间的分布电容，其效率比单根水平导线的T形天线更高一些。

这种天线一般用在中波归航台上。

2、T形天线的阻抗特性

用于中长波导航台的T形天线由于受到架设高度

的限制，通常

所以，这种天线呈现为电容性。

天线越低，电容越小，容抗越大，电容性越强。

T形天线的电容在工程上一般采用舒来金法通过计算获得。

图28计算T形天线电容辅助用图

假设T型天线有n根平行的水平导线，导线间距为d，半径为a，长度为

，离地面高度为h，其中d、a、

、h的单位均为厘米，那么水平导线的对地电容为：

（pF）

假设地面上单根垂直导线长度为h，半径为a，导线下端离地面高度为h1，且h>>h1，其中a、h的单位均为厘米，那么垂直导线的对地电容为：

（pF）

那么，天线的总电容为

（pF）

对于T型天线来说，整个天线的有效高度为：

则天线的辐射电阻为：

远台T型天线的电容量大约为900~1000P左右。

六、无方向信标的自动调谐与匹配

1、无方向信标的调谐原理

我们知道，T型天线是呈电容性的，其等效电路见下图所示：

图29天线等效电路图

为了提高天线的发射效率，应在天线回路中串联一个电感线圈，使天线在载波频率上处于串联谐振状态，此时天线的输入阻抗为一个纯电阻RT。

图30天线加感线圈

2、自动调谐电路

无方向信标通常使用天线自动调谐器。

在建台期间，现在天线回路中使用电感抽头方式，预先接入一个初始电感量。

开机后，在天线调谐器中，将射频电流和射频电压的相位进行比较，使用相位检波器确定天线回路是呈电容性，还是呈电感性。

并根据相位检波器输出电压的极性，驱动伺服马达，改变电感线圈的电感量。

天线自动调谐器的方框图如下图所示。

图31天线自动调谐器的方框图

匹配变压器的目的是使用变压器的阻抗变换功能，将串联谐振后的天线电阻变换成50Ω的纯电阻，实现与发射机功放的阻抗匹配。

3、相位检波器的工作原理

我们知道，交流电通过电容器后，电压相位落后电流相位90°，交流电通过电感线圈后，电流相位落后与电压相位90°。

电容电感的电流电压相位特性见图32（a）。

直接比较两个相差90°的波形，是有困难的。

如果我们对射频取样电压进行第二次移相，然后再与射频电流相位作比较，二者将会出现同相，或者反相成分，此时检波输出电压的极性，将包含有电流和电压之间相对的相位信息。

射频电压经过电容器移相后的相位特性见图32（b）。

（a）（b）

图32电流和电压的相位矢量比较图

在图32（b）中，如果将电流取样信号作为一个开关信号加到检波器电路中，那么，电容性电压取样信号检波后将输出一个正电压；而电感性电压取样信号检波后将输出一个负电压，成功实现相位检波。

下图为天线自动调谐器的射频电压、电流取样、相位检波和驱动组成电路图。

B1为驱动马达，用于调整电感线圈的电感量，使天线处于串联谐振状态。

这是一个双相位检波器自动调谐电路。

在双相位检波器电路中，不仅在电流取样信号的正半周输出有直流电压信号，而且在电流取样信号的负半周还输出有直流负电压信号。

进一步增强了相位检波电路的可靠性。

图33电机驱动电路

从T1上采集到的是与射频电流同相位的电流取样信号，经过变压器T2后，从两个次级线圈输出为两个同相位的电压信号。

这两个电压信号与射频电流同相位，代表着电流信号的相位，我们把T2次级输出的两个电压信号记作Ua。

射频电压取样信号经过C1进行移相后，其相位比射频电流信号相位落后了90°，我们将其记为Ub。

可以认为：

Ua——代表电流取样信号。

Ub——代表电压取样信号。

在设计时，使得Ua

Ub，足以使两个二极管桥工作在开关状态。

（1）当天线处于串联谐振状态时

此时射频电压和射频电流同相位，Ua和Ub相差90°，即互为正交。

不论Ua处于正半轴，还是负半轴，C2和C3上电压均为0，驱动马达B1不工作。

图34Ua和Ub波形图

（2）如果天线呈电容性：

Ua和Ub波形接近于同相位。

当Ua处于正半轴时，CR1~CR4全部导通，Ub直接加到C2上，产生一个正电压，使晶体管Q2导通。

当Ua处于负半轴时，CR5~CR8全部导通，Ub直接加到C3上，产生一个负电压，于是，晶体管Q5导通。

+12V电压通过Q5，经过驱动马达B1、CR12和Q2，形成回路。

驱动马达加电工作，增加天线线圈的电感量。

（3）如果天线呈电感性：

Ua和Ub波形接近于反相位。

当Ua处于正半轴时，CR1~CR4全部导通，Ub直接加到C2上，产生一个负电压，使晶体管Q4导通。

当Ua处于负半轴时，CR5~CR8全部导通，Ub直接加到C3上，产生一个正电压，于是，晶体管Q3导通。

+12V电压通过Q4，经过驱动马达B1、CR13和Q3，形成回路。

驱动马达反向加电工作，减小天线线圈的电感量。

3、无方向信标的匹配

无方向信标发射机的输出阻抗是50

，如果发射机连接了一个输入阻抗为50

的天线，则发射机处于匹配状态。

此时，在同轴电缆上只有前进波，也叫做行波，发射机输出功率全部送到了天线上。

实际上，T型天线的电阻RT是非常小的，只有几个

，与发射机的50

输出阻抗并不匹配。

在发射机输出不匹配的情况下，发射机的输出端不仅有前进波，而且还有反射波。

反射波不仅降低了天线的发射功率，而且还将在发射机的功率放大器上产生热损耗，对发射机不利。

为此，在发射机的输出端，应当连接一个匹配变压器，经过阻抗变换后，使发射机与T型天线处于匹配状态。

这时，从发射机输出的高频调制信号只有前进波，没有反射波，或者，反射波最小。

这样，发射机的效率才为最高。

4、正向功率和反射功率

前进波在天线上形成的功率叫做正向功率，反射波在天线上形成的功率叫做反射功率。

前进波与反射波的叠加，将形成驻波。

驻波电压最大值与驻波电压最小值之比，叫做驻波比，用SWR表示。

如果发射机是匹配的，那么从发射机送到天线上的高频调制信号只有前进波，此时SWR=1；但是如果发射机不匹配，即存在驻波，则SWR＞1。

驻波比越大，说明电路匹配越不好，传输效率越低。

已知正向功率

和反射功率

，可以求出驻波比，它们之间的关系为：

例如：

正向功率

=500W，反射功率

=50W时，计算可得，SWR=1.85。

5、无方向信标的安全性

在电工学里我们知道，串联谐振时，在电容器和电感线圈上具有很高的谐振电压，串联电路中具有电流最大值。

无方向信标连接是T型天线呈电容性，当天线处于谐振状态时，在天线上，在加感线圈上都将产生很高的射频电压。

试验：

手持氖管式测电笔，只要靠近天线输出端十几厘米时，氖管即发光，越靠近天线的裸铜线，氖灯越亮。

例题：

假设某T型天线的电容为900P，工作频率为272kHz，天线电流为8A，则在天线上产生的高频电压有效值为：

峰值电压为

在发射识别码时，峰值电压为：

可见，500W无方向信标天线谐振电压值是很高的，峰值最高可高达1万伏，对人体是有危险的。

除此之外，在谐波滤波器上，同样产生有很高的射频谐振电压。

因此，当无方向信标正常工作时，任何人不得打开谐波滤波器，不得靠近、触摸天线引出线、下拉线，不得靠近、触摸天线调谐器的加感线圈。

以免射频高压击穿空气，对人体放电，伤害人身。

参考文献

1、无线电导航系统，吴德伟编，电子工业2015.5。

2、中短波调幅广播发射实用教程，应毓海编，XX工业大学2014.1。

3、传输线天线与电波传播，空军通信学校，1983.5。

4、ND2000BeaconTransmitter。