仪表着陆系统测试设备调制功放的设计

摘要：幅度调制和功放是仪表着陆系统测试设备必不可少的一部分。文章对其进行了初步的设计。通过对双平衡混频器的特殊应用，实现了调幅调制器。加了一级功放，并用ADS软件仿真并设计了一个四阶的低通滤波器。各项指标符合要求。
关键词：仪表着陆系统；混频器调制；幅度调制；功放

0 引言
    一般调幅调制器都用模拟乘法器来实现，把混频器用作调幅调制器的很少。
    ILS(Instrument Landing System)仪表着陆系统是国际范围内被广泛运用于航空器进近和着陆的一种辅助导航设备，在国内的机场使用也相当普遍。这个系统由机载航向、下滑、指点信标接收机和地面航向、下滑、指点信标发射机组成，它为飞机提供对准跑道的航向信号和指导飞机下降的下滑道信号，再加上适当的距离指示信号，使飞机能在低的能见度和恶劣天气条件下借助这些仪表提供的信号指示安全着陆，实现飞机的安全盲降。而仪表着陆系统的测试是ICNI设备的功能之一。ICNI(Integrated Communication／Navigation／Identificat ion)，全称是综合通讯导航辨认系统。调制功放是ICNI设备仪表着陆系统测试中发射单元的必不可少的一部分。

1 幅度调制的基本原理
    设调制信号为单一频率的余弦波，有
    Ua(t)=(Uam*Cos(2πfa*t)     (1)
    载波信号为
    Uc(t)=(Ucm*Cos(2πfc*t)     (2)
    由于实现振幅调制后载波频率保持不变，调幅波的振幅和调制信号成正比，设载波信号的初相位为0，则已调波的表达式为
    UAM=Ucm*[(1+Ma*Cos(2πfa*t+ψ)]*Cos(2πfc*t)
    =Ucm*Cos(2πfc*t)+Ma*Ucm*Cos[2π(fc+fa)*t+ψ]／2+Ma*Ucm*Cos[2π(fc-fa)*t-ψ]／2      (3)
    其中UAM是调制幅度，Ucm是载波幅度，Ma是调制度，fa是音频信号的频率，ψ是音频信号的初相位，fc是载波信号的频率，t是时间。
    如果调幅电压所带的负载为电阻R，则载波功率为
    P0=Ucm2／2R      (4)
    边频功率为
    P1=P2=(Ma*Ucm／2)2／2R=(Ma2／4)*P0      (5)
    调幅波输出的平均总功率为
    P总=P0+P1+P2=(1+Ma2／2)*P0              (6)
    式(6)表明，调幅波输出平均总功率不只是由载波功率决定的，还和调制度有关。载波功率一定时，总输出功率随着调制度的增大而增大。

2 混频器调制和功放的设计与实现
    双平衡混频器可以用作二极管低电平调幅电路，其原理可参照二极管环形调制器。这是双平衡混频器用作调幅调制器的特殊用法，和混频器的普通用法不同，需要特殊应用。混频器用作调幅调制器时，射频信号从RF(射频)端口输入，音频信号从IF(中频)端口输入，调制信号从LO(本振)端口输出。而用作混频器时，输入信号是从RF和LO端口输入，IF端口作为输出。这是主要的不同。当然，接口方式不同，功能也就不同。
    电路原理方框图如图1所示。

    本文选用mini-circuits公司的ADE-1ASK来进行幅度调制。ADE-1ASK是一种双平衡混频器，LO功率为+7dBm时，LO和RF端口输入频率范围为2～600MHz，IF端口输入频率范围为DC～600MHz，完全覆盖航向和下滑频段(航向频段为108～112MHz，下滑频段为328～336MHz)，音频信号为90Hz和150Hz的合成信号，也满足IF端口的输入条件。该混频器的1dB压缩点输入功率为+1dBm。
    音频信号要叠加上DC，因此通过加法器结合，为了调试方便，在输入处各自放一个电位器来实现连续可调。其中，加法器中的运放选用MC1458I。在各端口间都做一些滤波处理。
    功放管选择mini-circuits公司的ERA-8SM+，该功放管是单片放大器，频率DC～2GHz，增益为+31．5dB，1dB压缩点输出功率为+12．5dBm 3．7V供电，两端口为50Ω内部匹配阻抗。
    接着用ADS软件仿真并设计了一个四阶的低通滤波器，用于抑制二次谐波和三次谐波。

    调制功放的电路原理图如图2所示。航向电路和下滑电路的频段不同，它们的主要区别是滤波网络。不同的元件值分别为：航向电路中，L1=L4=L5=L6=L7=68nH，C3=C4=C14=C18=39pF，C15=C16=C17=82 pF；下滑电路中，L1=L4=L5=L6=L7=1 8nH， C3=C4=C14=C18=12pF，C15=C16 =C17=27pF。

3 调试与测试结果
    电路板装配完成后，经过一些调试，常温条件下测得的结果如下：
    通过Agilent的DSO6034A示波器观测，音频信号与DC的大小必须搭配合适才能保证调制波形不失真，DC输入在40～60mV之间为最佳，音频信号一般在200mVp-p(峰峰值)以内。90Hz单音调制波形如图3所示，1路是调制波形(黄色)，2路是音频信号波形(绿色)。由Agilent的E4417A功率计测得，输出功率为+6dBm，平坦度在0．5dB以内。通过单位自制的ILS／VOR／MKR信号分析仪测得，不失真情况下，幅度调制深度能达到90％以上。由Agilent的E4407B频谱仪测得，二次谐波抑制达到-80dB以下，三次谐波抑制达到-90dB以下。

4 结论
    本文用混频器实现了调幅调制器的功能，验证了这种方法的可行性。实现了仪表着陆系统测试仪航向信标和下滑信标的90Hz和150Hz的音频幅度调制，不失真情况下调制深度能达到90％以上；实现了航向和下滑信标调制信号的功率放大，输出功率+6dBm；常温测试的平坦度0．5dB以内；谐波抑制达到-80dB以下。指标满足仪器要求。