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1、 . . 无方向信标入门东苑电脑工作室编写目 录一、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
2、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
3、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，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
4、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
5、号成比例地变化，这就是脉幅调制，记做PAM，见以下图。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，见以下图。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，功放管导通时阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，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，
6、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，
7、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f1fo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
8、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 以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
9、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
10、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
11、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。以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
12、使用的晶体振荡器，见以下图。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，见以下图所示，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音频振荡器见以下图。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，
13、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16 1020Hz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
14、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。控制电压波形见以下图所示。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
15、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21 125W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
