某型無(wú)線電羅盤(pán)航電聯(lián)試不定向故障分析與排除研究

許海，許晨煜

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

無(wú)線電羅盤(pán)作為關(guān)鍵導(dǎo)航設(shè)備在飛機(jī)飛行尤其是起飛和降落階段扮演至關(guān)重要的作用，對(duì)飛行安全影響極大。該型無(wú)線電羅盤(pán)是全數(shù)字化的機(jī)載無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備，核心功能是連續(xù)自動(dòng)地指示出飛機(jī)縱軸相對(duì)于選定塔臺(tái)（可以是導(dǎo)航臺(tái)或廣播電臺(tái)）坐標(biāo)之間的航向角。它有收訊和羅盤(pán)兩種工作方式。工作在收訊狀態(tài)時(shí)，其作為一個(gè)中長(zhǎng)波接收機(jī)；在羅盤(pán)狀態(tài)時(shí)，其顯示參考塔臺(tái)的相對(duì)方位信息。

1 故障現(xiàn)象

某架飛機(jī)無(wú)線電羅盤(pán)航電系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激勵(lì)信號(hào)小于10mV時(shí)，飛機(jī)羅盤(pán)指針始終不能指向設(shè)定的航向，且關(guān)斷信號(hào)時(shí)耳機(jī)噪音極大即無(wú)法靜噪。在內(nèi)場(chǎng)用檢測(cè)設(shè)備對(duì)無(wú)線電羅盤(pán)進(jìn)行單部件測(cè)試，產(chǎn)品合格，定向、收訊功能均良好。耳機(jī)噪音實(shí)質(zhì)上是由聯(lián)試不定向引起的，故障即為航電聯(lián)試時(shí)不定向。

2 無(wú)線電羅盤(pán)原理簡(jiǎn)介

2.1 無(wú)線電羅盤(pán)架構(gòu)

該型無(wú)線電羅盤(pán)系統(tǒng)由垂直天線、天線放大器、環(huán)形天線、環(huán)匹配器、接收機(jī)、控制盒組成，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線電羅盤(pán)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 工作原理

控制盒被設(shè)置發(fā)送150～1750kHz頻率控制信號(hào)到接收機(jī)組件，接收機(jī)根據(jù)該頻率控制信號(hào)選通相應(yīng)頻率的波道工作從而通過(guò)垂直天線和環(huán)形天線接收塔臺(tái)發(fā)送的相應(yīng)頻率的含方位信息的信號(hào)。天線放大器將垂直天線接收的微弱信號(hào)按需要進(jìn)行放大，兩種天線信號(hào)被環(huán)匹配器按設(shè)定的比例進(jìn)行算數(shù)疊加生成含方位信息的調(diào)幅信號(hào)傳送至接收機(jī)。接收機(jī)由信道板、信息板、接口板、電源板、頻合板組成。接收機(jī)對(duì)該調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行濾波解調(diào)放大等信號(hào)處理，提取出方位信息和音頻信息傳遞至指示器和通話器。

3 故障分析

3.1 故障初步定位

根據(jù)羅盤(pán)工作原理和架構(gòu)，列出該故障下的故障樹(shù)見(jiàn)圖2。

該產(chǎn)品故障為航電聯(lián)試故障，在內(nèi)場(chǎng)單部件測(cè)試狀態(tài)良好，定位、收訊功能均正常。由于可以判斷航電聯(lián)試設(shè)備、內(nèi)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備性能均良好，分析原因，應(yīng)當(dāng)是航電聯(lián)試中的復(fù)雜電磁環(huán)境導(dǎo)致。這種情況下必須先根據(jù)故障樹(shù)串用模塊，將故障定位至某個(gè)具體的模塊。先后排除環(huán)形天線、垂直天線、環(huán)匹配器、指示器、天線放大器和控制盒的故障，最終更換接收機(jī)時(shí)，航電聯(lián)試故障消失——接收機(jī)引起了此次故障。接收機(jī)是無(wú)線電羅盤(pán)的核心，由五個(gè)獨(dú)立模塊組成。根據(jù)故障樹(shù)繼續(xù)進(jìn)行排查，最終將故障定位于信道分機(jī)。

3.2 故障原因分析

下面從信道分機(jī)工作機(jī)理出發(fā)，對(duì)故障原因進(jìn)行分析。

3.2.1 故障原因分析

信道分機(jī)實(shí)質(zhì)上承擔(dān)接收機(jī)的主要接收功能。繪出其原理框圖見(jiàn)圖3。

圖2 無(wú)線電羅盤(pán)航電聯(lián)試不定向故障樹(shù)

圖3 無(wú)線電羅盤(pán)接收機(jī)信道分機(jī)原理框圖

信道分機(jī)可視為接收機(jī)的模擬信號(hào)處理模塊，由自檢電路、七波段帶通濾波器、兩級(jí)混頻器、兩級(jí)中頻放大器、兩級(jí)晶體濾波器、同步檢波器、AGC電路、音頻放大電路組成。其也有收訊和定向兩種工作狀態(tài)，收訊狀態(tài)下接收信號(hào)是用1kHz基波對(duì)150～1750kHz載波信號(hào)的調(diào)幅信號(hào)，定向狀態(tài)下接收信號(hào)在收訊信號(hào)基礎(chǔ)之上疊加了90Hz方位信息。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后被15.15～16.75MHz本振信號(hào)上變頻成為15MHz調(diào)幅信號(hào)，濾波放大后稱(chēng)為第1中頻信號(hào)，再經(jīng)混頻濾波放大后稱(chēng)為第2中頻信號(hào)，為1kHz基波調(diào)制3.6MHz載波的調(diào)幅信號(hào)。第2中頻信號(hào)被同步檢波器解調(diào)，成為1kHz低頻信號(hào)，在定向狀態(tài)下為90Hz調(diào)制1kHz的調(diào)幅波，收訊狀態(tài)下僅有1KHz低頻信號(hào)，即為音頻信號(hào)。低頻信號(hào)有4個(gè)路徑：（1）被方位濾波器濾波留下90Hz方位信號(hào)；（2）被運(yùn)放處理生成AGC增益電壓；（3）被比較器與固定電壓比較后輸出信號(hào)鎖定電壓；（4）去往音頻放大電路進(jìn)行音量放大輸出。

3.2.2 故障排查

根據(jù)故障現(xiàn)象，該產(chǎn)品在專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備上測(cè)試正常，聯(lián)試情況下不定向，考慮到聯(lián)試與專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備的差異一是信號(hào)噪聲環(huán)境不同，二是通過(guò)天線模仿儀與羅盤(pán)產(chǎn)品連接的線纜長(zhǎng)度不同，針對(duì)這兩個(gè)情況進(jìn)行信號(hào)的測(cè)試。為了便于測(cè)試，加大輸入信號(hào)使聯(lián)試時(shí)天線模仿儀給出的信號(hào)盡可能與專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備的輸入信號(hào)幅度相同。表1為內(nèi)場(chǎng)測(cè)試時(shí)輸入信號(hào)為10mV時(shí)的測(cè)試結(jié)果，表2為航電聯(lián)試環(huán)境下信道分機(jī)各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，航電聯(lián)試和內(nèi)場(chǎng)測(cè)試同步檢波器輸出的信號(hào)基本接近，而當(dāng)航電聯(lián)試天線模仿儀信號(hào)幅度小于10mV時(shí)無(wú)線電羅盤(pán)不工作，所有測(cè)試點(diǎn)均沒(méi)有有效信號(hào)。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，第一，信道分機(jī)接收前端至同步檢波器輸出的整個(gè)一段電路工作均是正常的；第二，航電聯(lián)試下信號(hào)幅度有衰減并且底噪明顯升高；第三，航電聯(lián)試小信號(hào)不定向且射頻前端信號(hào)完全消失，后級(jí)必然存在一個(gè)反饋環(huán)路至接收機(jī)組件中其他部件。

表1 內(nèi)場(chǎng)測(cè)試時(shí)信道分機(jī)各測(cè)試點(diǎn)信號(hào)和噪聲

表2 航電聯(lián)試時(shí)信道分機(jī)各測(cè)試點(diǎn)信號(hào)和噪聲

故障正是由航電聯(lián)試時(shí)復(fù)雜的電磁環(huán)境引起，且故障點(diǎn)位于圖3中比較器、方位濾波器、電壓轉(zhuǎn)換電路、音頻放大電路這四個(gè)單元電路中。

圖4 信道鎖定信號(hào)產(chǎn)生電路部分原理圖

結(jié)合信道分機(jī)工作原理，進(jìn)行故障推演和模擬。設(shè)置天線模仿儀信號(hào)幅度為8mV，產(chǎn)品定向和收訊功能基本消失，羅盤(pán)不工作，產(chǎn)品有效信號(hào)與無(wú)效信號(hào)之比值即信噪比偏低致使羅盤(pán)不工作。前級(jí)對(duì)信道分機(jī)無(wú)輸入信號(hào)，此時(shí)必有一路控制信號(hào)給到接收機(jī)中其他部件，抑制接收信號(hào)。在信道分機(jī)中恰有這樣一個(gè)單元電路——產(chǎn)信道鎖定信號(hào)“信道鎖定TD_LOCK”的比較器電路。“信道鎖定TD_LOCK”高有效，從信道分機(jī)傳遞至信息分機(jī)，產(chǎn)生靜噪電壓“靜噪電平Y(jié)BLOCK”來(lái)抑制音頻電壓。信道鎖定信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖見(jiàn)圖4，靜噪抑制電路見(jiàn)圖5。靜噪原理是，同步檢波器以3.6MHz晶振發(fā)出的基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)3.6MHz第2中頻信號(hào)同步檢波，當(dāng)?shù)?中頻信號(hào)的頻率和相位與基準(zhǔn)信號(hào)一致則解調(diào)出的低頻信號(hào)（圖4）的直流電壓約為-0.8V；如果不一致則失調(diào)，低頻信號(hào)直流電壓仍為負(fù)值但幅度遠(yuǎn)小于0.8V。當(dāng)?shù)皖l信號(hào)直流電壓大小小于N9同相輸入端的直流電壓則信道鎖定信號(hào)是低電平，反之是高電平，即失調(diào)時(shí)信道鎖定信號(hào)為高，該高電平傳遞至信息分機(jī)，信息分機(jī)產(chǎn)生靜噪電平的“靜噪電平Y(jié)BLOCK”（圖5）為低，將音頻放大器N17關(guān)斷，環(huán)路失鎖，音頻電壓消失，90Hz定向信號(hào)也消失。

圖5 靜噪抑制電路部分原理圖

因此圖4中比較器N9的輸入端3腳決定了信道分機(jī)允許的噪音水平，底噪過(guò)高則檢波器解調(diào)出的低頻信號(hào)直流分量幅度過(guò)高，因?yàn)樵撾妷簽樨?fù)值且位于運(yùn)放反相輸入端，最終導(dǎo)致三極管V29導(dǎo)通，信道鎖定信道為高，環(huán)路失鎖。經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天線模仿儀信號(hào)大小10mV以上時(shí)同步檢波電路輸出低頻信號(hào)直流電壓大小為-0.78V左右，已非常接近靜噪電平-0.8V，會(huì)導(dǎo)致有效信號(hào)被當(dāng)做噪音而被抑制。靜噪電平由RP3設(shè)置，是可調(diào)項(xiàng)，微調(diào)RP3將N9同相輸入端電壓調(diào)節(jié)為-0.85V，以確保底噪無(wú)影響。經(jīng)聯(lián)調(diào)測(cè)試，故障消失。

4 結(jié)語(yǔ)

這是一起典型的噪音引起的機(jī)上無(wú)線電設(shè)備工作異常的故障。飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，一方面，無(wú)線電羅盤(pán)接收信號(hào)為μV級(jí)，中頻信號(hào)頻率為3.6MHz，對(duì)電磁兼容環(huán)境要求較高，其他信號(hào)輻射極易產(chǎn)生干擾；另一方面，相對(duì)于復(fù)雜的電磁環(huán)境和嚴(yán)格的性能要求，無(wú)線電羅盤(pán)本身性能逐漸衰減，器件可靠性降低。內(nèi)場(chǎng)測(cè)試僅僅只針對(duì)產(chǎn)品自身性能進(jìn)行檢測(cè)，不能完全模擬機(jī)上電磁環(huán)境。航電聯(lián)試發(fā)揮了極其關(guān)鍵的作用，為飛行安全和作戰(zhàn)性能增加了一層保障。在飛機(jī)無(wú)線電設(shè)備的修理中，該類(lèi)問(wèn)題應(yīng)該引起足夠重視。