浅析M型下滑设备监控混合单元

摘要：本文首先介绍了仪表着陆系统M型下滑天线的监控系统组成。随后从M型下滑天线的信号分配关系出发，论述了监控混合单元产生监控信号的基本原理，并以Normarc7033B设备为例，分别说明了航道、宽度和余隙监控信号合成的电路实现方式。最后，本文例举了不同天线通路的相位和幅度变化对监控参数的影响，为技术人员排除下滑天线通路故障提供了一定的思路。

关键词：仪表着陆系统;下滑信标;M型下滑天线;监控混合单元

1.M型下滑天线监控系统简介

仪表着陆系统下滑信标天线系统主要分为零基准、边带基准和M型三种。相比前两种天线系统，M型下滑天线采用航道和余隙双频发射系统，在满足覆盖要求的前提下，对地面障碍物和地形的反射具有更好的抗干扰能力，因此广泛应用于我国各机场的仪表著陆系统下滑设备中。

M型下滑天线的监控系统由航道（CL）宽度（DS）余隙（CLR）和近场（NF）四个监控通道组成，其中CL、DS及CLR三个监控信号由馈送至天线的发射信号耦合一部分后经监控混合单元（MCU）合成后产生，主要用于监控馈送至天线的发射信号是否正常。CL通道用于监控下滑道上的信号，对应的仰角为下滑角θ，通常为3°;DS通道用于监控下半宽的信号，对应的仰角为0.88θ;CLR用于监控余隙信号占优的低角度区域信号，对应的仰角为0.3θ。NF信号由近场监控天线接收下滑天线辐射的信号后产生，主要用于监控外场辐射信号是否正常，它与下滑天线挂高和偏置、下滑天线前方反射场地情况等因素密切相关。四个监控信号互为补充，确保了下滑监控系统的完整性和有效性。

2.M型下滑设备监控混合单元原理分析

M型下滑天线系统各天线的幅度和相位分配关系如表1所列：

单个下滑天线经过地面反射后在不同仰角上的信号表达式为：

其中A为相对幅度，H为天线挂高，α为仰角，φ为初始相位。

一般情况下，M型下滑天线系统上、中、下三副天线的高度比应满足3：2：1，根据表1所列的幅度和相位分配关系可得仰角α上三副天线的合成CSB、SBO和CLR信号表达式如下，由此可得不同仰角上合成CSB、SBO、CLR信号的幅度变化如图1所示。

下滑监控混合单元通过模拟不同仰角处的下滑辐射信号来产生监控信号。由于其输入信号取自三副天线馈电信号的耦合，因此必须掌握三副天线在不同仰角上的幅度和相位变化情况。三副天线在不同仰角上的归一化幅度如图2所示，CL、DS及CLR三个监控通道对应仰角的归一化幅度和相位如表2所列。

结合图2和表2的结果可以看出，在CL监控通道对应的仰角θ位置，中天线信号幅度恰好为零，上天线与下天线幅度相同，相位相反，因此CL监控信号可通过使上天线信号与反相后的上天线信号相加来产生。参考表1的分配关系可以发现，下天线与上天线分配的SBO和CLR信号幅度和相位相同，因此下天线与上天线反相后的信号相加后，SBO和CLR信号均相互抵消，实际产生的CL监控信号即下天线中CSB信号的耦合。同理，按照表2给出的DS与CLR监控通道对应的三副天线幅度和相位关系可以模拟得到0.88θ及0.3θ仰角位置的合成信号。

3.监控混合单元的电路实现

下面以Normarc7033B下滑信标设备为例来说明M型下滑天线系统监控混合单元的电路实现方式。图3为Normarc 7033B下滑监控混合单元的电路组成。

实际电路中，上天线耦合信号通过移相器PH1和可调衰减器AT1，并由功分器分为幅度相同的3路信号（A3-1、A3-2、A3-3）。中天线耦合信号通过移相器PH2和可调衰减器AT2，并由功分器分为幅度相同的2路信号（A2-1、A2-2）。下天线则直接由功分器分为幅度相同的3路信号（A1-1、A1-2、A1-3）。

从表2可知，CL监控信号对应的仰角处中天线信号幅度为0，且上天线与下天线信号幅度相同，相位相反，因此A3-1信号经过180°移相后与A1-1相加产生CL监控信号。DS监控信号对应的仰角处下天线幅度最大，因此A1-2信号与经AT3衰减的A2-1及经AT4衰减并移相180°的A3-2信号相加产生DS监控信号。在CLR监控信号合成电路中，中天线A2-2信号经AT7衰减后通过移相器PH3，并与经AT5衰减的A1-3及经AT6衰减的A3-3信号相加产生CLR信号。

在Normarc7033B设备监控混合单元调试过程中，通常依次调整PH1、AT1、PH2、AT2及PH3共5个可调器件。从图3可以看出，上天线信号通路中的PH1及AT1与CL、DS、CLR三路监控信号合成均直接相关，必须首先调整到位。中天线信号通路中的PH2及AT2与DS及CLR信号合成相关，作为第二步完成调整。A2-2通路中的PH3仅与CLR信号合成相关，因此最后进行调整。

4.下滑天线通路故障分析

仪表着陆系统下滑信标各类设备故障中，天线通路的幅度和相位变化引起的监控参数波动往往难以快速确定故障点。发射电缆、监控电缆以及电缆头连接等天线通路中的任何一个环节都可能造成某一副天线通路的相位和幅度发生变化，进而使监控参数发生波动。上、中、下三副天线通路的相位和幅度改变时，CL、DS、CLR三个监控信号的DDM及RF参数变化情况如表3及表4所列。

从表3的结果来看，下天线通路的相位变化对CLR监控参数影响较大，相位变化20°将造成CLR告警，同时CL和DS监控参数也有一定的变化。中天线通路的相位变化同样会造成CLR监控参数波动，其影响比下天线更大，但对DS影响较小，且不会使CL发生变化。上天线通路的相位变化造成监控参数波动较小，其对CL的影响与下天线相当，对DS的影响最小。总体来看，CL监控参数会受到上、下天线相位变化的影响，DS监控参数受下天线相位变化的影响最大，受上天线相位变化的影响最小，而CLR监控参数则对中、下天线的相位变化较为敏感。

从表4的结果来看，下天线耦合信号幅度降低1dB后，三个监控信号的RF值均有明显下降，其中CLR已超出告警门限。同时，DS的DDM参数变化较大而告警，而CLR的DDM参数几乎没有变化。中天线耦合信号幅度降低1dB后，CL监控参数保持不变，CLR监控参数变化较大，但未达到告警门限，DS监控参数则变化较小。上天线耦合信号幅度降低1dB后，三个监控信号的RF值变化不大，CL及DS的DDM参数有一定波动。若将下天线通路断开，则CL、DS、CLR参数均出现告警，DDM和RF都有大幅变化。若将中天线通路断开，CL监控参数仍保持不变，DS与CLR监控参数将出现告警，尤以CLR参数变化幅度更大。上天线通路断开后，CL、DS、CLR参数均出现告警，但整体参数变化幅度较下天线的影响小。总体来看，CL监控参数对下天线耦合信号幅度变化较为敏感。三副天線耦合信号幅度变化对DS及CLR监控信号都有一定影响，其中DS受下天线影响较大，CLR则受中天线影响较大。

实际设备排故过程中，若不了解下滑监控信号的合成原理，可能会出现判断错误。例如，CLR监控信号的DDM和RF参数出现较大波动，其他监控参数无明显变化时，可能会因为中天线不辐射余隙信号而首先排除中天线通路存在问题的可能，反将排查重点放在上天线和下天线通路上。然而在实际合成CLR监控信号的过程中，中天线起到了关键的作用。由于中天线的SBO信号幅度最大，即使在0.3θ余隙信号占主导的低仰角区域，其通路相位或幅度发生变化仍然会使CLR监控信号的DDM和RF产生波动。从表3和表4的结果显示，相比实际辐射余隙信号的上天线和下天线，中天线通路相位和幅度变化对CLR监控信号的影响最大。必须注意的是，表3和表4所列的结果是建立在每次飞行校验后设备监控参数都经过校准的前提下得到的。若设备监控参数没有得到适当的校准，则很可能无法及时对发射信号的变化做出必要的反应，从而导致设备辐射错误信号并产生严重的安全风险。

参考文献：

[1]金辽.仪表着陆系统原理[M].上海：民航华东空中交通管理局，2006.

[2]ILS PRINCIPLES AND EQUIPMENT THEORY[M]. Norway：Park Air Systems AS，2000.

作者简介：陆冉菁（1975.03--）;性别：男，籍贯：上海市人，民族：汉族，学历：本科，毕业于上海大学;现有职称：工程师;研究方向：无线电导航;单位及邮编：中国民用航空华东地区空中交通管理局设备维修中心 201702。