基于FPGA/MCU結構的線性調頻高度表設計

　　1 引言
　　
　　無線電高度表不僅可以精確測量飛行器與地面或海面的相對高度，而且還可以測量地表 粗糙度、海洋波浪高度等多種參數(shù)，在飛機的自動著陸、自動導航、地形匹配等領域得到了 廣泛的應用。無線電高度表主要分為調頻連續(xù)波體制和脈沖體制兩種，調頻連續(xù)波體制適合 1500m 以內的低高度應用，脈沖體制適合1500m 以上的中高高度應用。本文介紹了一種基于 FPGA/MCU 結構的線性調頻（LFMCW）連續(xù)波高度表，具有精度高，結構簡單，可靠性高，成 本低等特點。
　　
　　2 工作原理
　　
　　線性調頻連續(xù)波高度表的基本原理為[2]：采用三角波線性調頻微波振蕩源，經(jīng)發(fā)射天線 輻射等幅調頻波，經(jīng)過與飛行器飛行高度成正比例的時間延遲τ，由地面發(fā)射并被接收天線接 收，經(jīng)混頻后輸出差拍信號fb，該信號經(jīng)窄帶濾波器選頻后，被一個增益隨高度變化的放大 器放大、濾波，送到跟蹤鑒頻器。跟蹤鑒頻器輸出高、低電平表示差拍信號是否進入跟蹤帶 內，控制單元根據(jù)保持或調整三角波的斜率，使差拍信號始終落入跟蹤帶內，保持恒定值。 整個系統(tǒng)通過地面構成閉環(huán)，飛行器的高度由三角波的斜率和最大頻偏Δf 來決定。
　　
　　其主要性能指標為：
　　
　　工作頻率：C 波段
　　
　　體制：LFMCW（線性調頻連續(xù)波）
　　
　　測高范圍：0?1500m
　　
　　距離分辨率：1m
　　
　　高度數(shù)據(jù)接口：RS422，9600 波特率
　　
　　該高度表屬于收發(fā)天線分開、三角波調頻、頻譜前沿跟蹤、恒定差拍式無線電高度表，其工作原理如圖1 所示。

　　
　　圖1 線性調頻高度表工作原理圖 上圖中，三角波發(fā)生器輸出信號的幅度是一個常數(shù)，而其斜率是控制電壓的函數(shù)。在測 高過程中，通過測高回路自動校正，使調制信號的斜率隨高度而變化，以保持差拍恒定。變 化規(guī)律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。跟蹤鑒頻器判別差拍信號fb 是否進入 跟蹤帶內，如是則輸出鎖定信號。跟蹤鑒頻器的中心頻率為225kHz，帶寬僅為30kHz 左右， 使高度表有較高的抗噪聲和抗干擾的能力。在沒有跟蹤鎖定信號時，高度表進入搜索狀態(tài)， 變化三角波的斜率，從最低高度到限制的最高高度周期地掃描，并根據(jù)跟蹤鑒頻器是否輸出 鎖定信號進行調整。當調制斜率對應飛行高度時跟蹤鑒頻器輸出高電平，高度表環(huán)路鎖定并 保持跟蹤地面發(fā)射的信號。
　　
　　接收、發(fā)射天線選用微帶集成平板天線，天線間距不小于1m，使收發(fā)隔離度大于70dB。 天線的3dB 帶寬為300MHz，旁瓣電平不大于-12dB，駐波比S=2，效率η≈80，總尺寸不大于 15cm×15cm。
　　
　　收發(fā)組件采用自差結構，輸出為零中頻的差拍信號，其頻率跟地面高度成正比。VCO 的 調制帶寬最高可達200MHz，調制線性度優(yōu)于1.2。組件的接收增益30dB，噪聲系數(shù)3.5dB。 視放組件對差拍信號進行選頻放大，總增益不低于80dB，增益控制范圍不低于90dB。
　　
　　選頻濾波器為定制的機械濾波器，中心頻率225kHz，帶寬30kHz。主放大器選用AD 公司的視 頻放大器AD*，它內部集成了兩個放大器模塊，可以單獨使用其中的任何一個或將兩個級 聯(lián)使用以提高增益和擴大動態(tài)范圍，每個放大器模塊的增益最大可達54.4dB，增益控制范圍 48.4dB。