机载雷达与通信导航设备/王世锦

引言 机载设备主要包括机械、电气、电子三部分，其中电子设备又分为无线电与仪表两个部分。飞机无线电系统是现代飞机的重要组成部分。 飞机无线电系统从系统功能角度，可分为通信系统、导航系统和雷达监视系统，有时也将飞机无线电系统分为通信系统和导航系统两大类。 现代民用飞机都装备有多种先进的无线电通信、导航和雷达系统。通信系统主要是用以实现飞机与地面之间、飞机与飞机之间的相互通信，也用以进行机内通话、广播、记录驾驶舱内的语言以及向旅客提供视听娱乐信号，如高频、甚高频通信系统、选择呼叫系统、内话系统、音频综合系统等。无线电导航系统的基本功能是引导飞机按选定航路安全、经济地完成规定的飞行任务。按照各个系统的功能，又可以把飞机无线电导航系统进一步划分为定位、测高、着陆引导和环境监测四大类。测距机、定向机、全向信标系统、多普勒雷达、奥米伽导航系统是用于确定飞机位置的无线电定位系统；低高度无线电高度表是典型的测高设备；仪表着陆系统属于着陆引导设备；气象雷达则是常用的环境监测系统。 飞机上的无线电设备应尽可能地相对集中在专门设计的各种电子设备舱内，使设备可以工作在飞机环境控制系统之中。民用客机的电子设备舱一般位于旅客座舱下部。军用飞机的电子设备舱一般位于飞机头部、驾驶舱下部和后部。某些电子设备应根据使用特性选择飞机上特定位置进行安装，如飞机的飞行数据记录器（俗称黑匣子）应选择放置在飞机坠毁后破坏程度可能*轻的部位，以便将飞行数据记录器回收后，还能正确分析出事故原因，如安装在飞机尾翼前沿根部g气象雷达为了取得飞机前方的气象资料，一般安装在飞机头部。 第1章 无线电基础知识 无线电设备与仪表设备都可以提供相应的导航参量，但两者之间的工作原理不同。例如，仪表设备中的大气数据仪表，是通过测量飞机与大气之间的作用力及飞机所在位置的大气参数，再根据大气参数与飞机飞行参数的特定关系进行换算，才能在相应的仪表上指示出所需的飞行参量。而无线电导航则是利用无线电波的发射与接收，将电参量转换为相应的导航参量，所以无线电系统的*大特点是依赖无线电波的发射、传播及接收进行工作的。无线电波的发射、接收过程以及传播特性在很大程度上影响无线电系统的工作质量，因而在学习飞机通信导航设备之前有必要了解g 无线电波的传播规律、影响其传播的主要因素、不同波段无线电波的传播特点、发射设备及接收设备的基本知识、传输线及天线的工作特点、调制的含义等无线电的基础知识。 1.1 无线电波 各种无线电系统都是利用无线电信号来传送信息，或者利用无线电信号来获取一定的信息的。而在无线电系统中所说的信号，是指代表一定信息的电信号。 下面就来了解信号的各个方面。 1.1.1 信号的形式 1. 规则信号与不规则信号 如果信号随时间按照一定规律变化，能够用一个确定的时间函数来表示，则这类信号属于规则信号；反之，若信号不随时间作有规律的变化，而是杂乱的、具有随机的性质，并且不能用一个确定的时间函数来表示，则属于不规则信号。 各类导航信号、雷达信号等都是规则信号；语音信号、电报信号等是不规则信号。 2. 周期信号与非周期信号 周期信号是按一定时间间隔，作不断重复变化的规则信号；非周期信号则不随时间作重复的、有规律的变化。 3 模拟信号与数字信号 按常见信号的形式，通常把信号分为模拟信号与数字信号两类。 所谓模拟信号，是指模拟物理量（如语音信号）的电压或电流的电参量在一定范围内是平滑、连续变化的，可以取这一范围内的任意值。 所谓数字信号，是指信号是离散的、不连续的，信号只能按有限多个阶梯或增量变化取值。例如，用不同电平表示的二进制信息，只能有高电平（代表信息“1”）和低电平（代表信息“0”）两个量化状态；具体的信息内容用这两个状态的一定形式的编码来表示。 传统的无线电系统所处理的一般是模拟形式的电量；现代机载电子系统则越来越多地以数字形式来处理信息，以获得更为优越的性能。和模拟通信相比，数字通信更能适应对通信技术越来越高的要求，主要体现在：抗干扰能力强；保密性强，可以加密；设备易于实现集成化、微型化；便于处理、存储、交换，便于和计算机连接，也便于计算机管理。数字通信的*大缺点是它占用的系统带宽远远大于模拟通信系统的带宽。 4. 脉冲信号 脉冲信号是指在短暂时间间隔内作用于电路的信号，这个时间间隔是可以与电路的过渡过程相比拟的。就广义来说，凡按非正弦规律变化的信号都可以称为脉冲信号。图1-1是几种常见的周期性脉冲波形。 图1-1 几种常见的脉冲波形 虽然数字信号只有高电平和低电平（有电流和无电流）两个状态，也工作于脉冲状态，但对于脉冲信号，往往是按模拟信号来对待的。这是因为，对于脉冲信号来说，除了注意脉冲的有无外，更多地还要注意脉冲的波形。 5. 低频信号与高频载泼 包含各种信息的无线电信号其频率往往较低，通常属于音频和低频的范围。低频信号是很难有效地通过天线辐射到空中去的。为了达到利用无线电波来传送信息的目的，必须将这类低频信号寄载在高频振荡上，以通过天线有效地转化为空间的无线电波。为此，需使高频振荡的某一个参数按照低频信号的规律变化，这一过程称为调制。 为了区别于低频信号，将用于寄载信号的高频振荡称为载波。载波是不包含具体的信息内容的，将已调制的载波信号称为高频信号（或射频信号）。 在很多无线电系统中，为了放大、变换信号的需要，往往还会设置一个或两个低于射频频率的中间频率中频。所谓高频、中频和低频的概念，是就一个系统中的信号变换过程相对而言的，很难划分绝对的数值界限。某个系统中的中频信号频率，是完全可能高于其他系统的高频频率的。 1.1.2 无线电波 在空间传播的交变电磁场称为电磁波。通常将频率3000GHz以下的电磁波称为无线电波，简称电波。 1. 无线电泼的传播 1）电磁波的形成与传播 当把射频信号施加到天线输入端时，天线便能有效地把射频信号所包含的电磁能量辐射到空中去，在天线附近的空间中形成电磁波。这就是说，射频电源（发射机）所产生的射频能量通过天线转化成了空间电磁波。 随后，天线附近空间中的电磁能量将会按照一定的规律扩散，不断地向远方传播（图1-2）。天线在空间A点所形成的交变电场E，将会在B点产生交变磁场，而A点的交变磁场H将会在B点产生交变电场，这样， A点的交变电磁场便推进到B点。到达B点的交变电场和交变磁场，又会在距天线略远的C点处产生交变磁场和交变电场。如此继续，电磁能量就不断地向前传播。 图1-2 无线电波的传播 2）电波的分布 空间的电磁波是由天线上的射频信号形成的，其变化规律取决于射频信号的变化规律，当天线射频电流按正弦规律变化时，空间各点的电场强度和磁场强度随之按正弦规律变化，并且在其传播方向上也是按正弦规律分布的。如图1-3所示为某一瞬间电磁场的分布情形。需要注意的是，空间任意点处的电场向量（z抽正负方向）与磁场向量（y轴正负方向）始终是互相垂直的，并且二者又都与传播方向相垂直。 图1-3 无线电波的电场强度和磁场强度在某一瞬间的分布情况 3）电波的相位 在电波传播的途径上，一个波长的范围内同一时刻的电场强度是不相同的。某点场强的强弱、方向和变化趋势的瞬时状态，叫电波的相位。习惯上用角度来表示电波的相位，称为电波的相角（相位角），常用字母ψ表示，如图1-4所示。图中A点的场强为零，相位是0°； B点的场强为正的*大值，相位是90°；C点的场强又回到零，相位是180°；D点的场强为负的*大值，相位是270°。 图1-4 空中电场的瞬间相位 两点间的相位之差，叫相位差，记为△ψ。由图1-4可以看出，在同一电波传播途径上，两点之间的距离为λ/4 时，相位差为90°；距离为A/2 时，相位差为180°；距离为3λ/4 时，相位差为270°；当距离为波长的整数倍时，相位差是360°的整数倍，即 （1-1） 式中， d为传播途径上两点间的距离差；λ为波长。显然，只要两点间的距离不变，任意时刻该两点间的相位差是不变的。 4）电波的传播方向 由上述可知，空间电磁波的电场向量E、磁场向量H和电波传播方向是互相垂直的，这种电波称为横电磁波。横电磁波的传播方向可以形象地用右手螺旋定则来确定：伸开右手四指与电场向量方向一致，再使四指弯向磁场向量方向（沿90。），则拇指方向就是电波传播的方向，如图1-5所示。可见，当电场和磁场向量中的一个改变方向时，传播方向就反向；而当电场和磁场同时反向时，电波传播的方向并不改变。 图1-5 右手螺旋定则 5）球面波与平面波 电波中相位相同的各点组成的面，称为波阵面。波阵面实际上是距波源（天线）距离相同的各点所组成的面。显然，当可以把天线看成是一个点波源时， 电波的波阵面是一个球面，这样的电波就称为球面波，如图1-6所示。通常可以把它看成是一个在O点处的无方向性天线所产生的球面波。