某型无线电罗盘航电联试不定向故障分析与排除研究

许海，许晨煜

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007）

无线电罗盘作为关键导航设备在飞机飞行尤其是起飞和降落阶段扮演至关重要的作用，对飞行安全影响极大。该型无线电罗盘是全数字化的机载无线电导航设备，核心功能是连续自动地指示出飞机纵轴相对于选定塔台（可以是导航台或广播电台）坐标之间的航向角。它有收讯和罗盘两种工作方式。工作在收讯状态时，其作为一个中长波接收机；在罗盘状态时，其显示参考塔台的相对方位信息。

1 故障现象

某架飞机无线电罗盘航电系统联试时，发现当激励信号小于10mV时，飞机罗盘指针始终不能指向设定的航向，且关断信号时耳机噪音极大即无法静噪。在内场用检测设备对无线电罗盘进行单部件测试，产品合格，定向、收讯功能均良好。耳机噪音实质上是由联试不定向引起的，故障即为航电联试时不定向。

2 无线电罗盘原理简介

2.1 无线电罗盘架构

该型无线电罗盘系统由垂直天线、天线放大器、环形天线、环匹配器、接收机、控制盒组成，其架构如图1所示。

图1 无线电罗盘系统架构

2.2 工作原理

控制盒被设置发送150～1750kHz频率控制信号到接收机组件，接收机根据该频率控制信号选通相应频率的波道工作从而通过垂直天线和环形天线接收塔台发送的相应频率的含方位信息的信号。天线放大器将垂直天线接收的微弱信号按需要进行放大，两种天线信号被环匹配器按设定的比例进行算数叠加生成含方位信息的调幅信号传送至接收机。接收机由信道板、信息板、接口板、电源板、频合板组成。接收机对该调幅信号进行滤波解调放大等信号处理，提取出方位信息和音频信息传递至指示器和通话器。

3 故障分析

3.1 故障初步定位

根据罗盘工作原理和架构，列出该故障下的故障树见图2。

该产品故障为航电联试故障，在内场单部件测试状态良好，定位、收讯功能均正常。由于可以判断航电联试设备、内场测试设备性能均良好，分析原因，应当是航电联试中的复杂电磁环境导致。这种情况下必须先根据故障树串用模块，将故障定位至某个具体的模块。先后排除环形天线、垂直天线、环匹配器、指示器、天线放大器和控制盒的故障，最终更换接收机时，航电联试故障消失——接收机引起了此次故障。接收机是无线电罗盘的核心，由五个独立模块组成。根据故障树继续进行排查，最终将故障定位于信道分机。

3.2 故障原因分析

下面从信道分机工作机理出发，对故障原因进行分析。

3.2.1 故障原因分析

信道分机实质上承担接收机的主要接收功能。绘出其原理框图见图3。

图2 无线电罗盘航电联试不定向故障树

图3 无线电罗盘接收机信道分机原理框图

信道分机可视为接收机的模拟信号处理模块，由自检电路、七波段带通滤波器、两级混频器、两级中频放大器、两级晶体滤波器、同步检波器、AGC电路、音频放大电路组成。其也有收讯和定向两种工作状态，收讯状态下接收信号是用1kHz基波对150～1750kHz载波信号的调幅信号，定向状态下接收信号在收讯信号基础之上叠加了90Hz方位信息。射频信号经过带通滤波器后被15.15～16.75MHz本振信号上变频成为15MHz调幅信号，滤波放大后称为第1中频信号，再经混频滤波放大后称为第2中频信号，为1kHz基波调制3.6MHz载波的调幅信号。第2中频信号被同步检波器解调，成为1kHz低频信号，在定向状态下为90Hz调制1kHz的调幅波，收讯状态下仅有1KHz低频信号，即为音频信号。低频信号有4个路径：（1）被方位滤波器滤波留下90Hz方位信号；（2）被运放处理生成AGC增益电压；（3）被比较器与固定电压比较后输出信号锁定电压；（4）去往音频放大电路进行音量放大输出。

3.2.2 故障排查

根据故障现象，该产品在专用测试设备上测试正常，联试情况下不定向，考虑到联试与专用测试设备的差异一是信号噪声环境不同，二是通过天线模仿仪与罗盘产品连接的线缆长度不同，针对这两个情况进行信号的测试。为了便于测试，加大输入信号使联试时天线模仿仪给出的信号尽可能与专用测试设备的输入信号幅度相同。表1为内场测试时输入信号为10mV时的测试结果，表2为航电联试环境下信道分机各测试点的测试结果。经过测试发现，航电联试和内场测试同步检波器输出的信号基本接近，而当航电联试天线模仿仪信号幅度小于10mV时无线电罗盘不工作，所有测试点均没有有效信号。根据数据判断，第一，信道分机接收前端至同步检波器输出的整个一段电路工作均是正常的；第二，航电联试下信号幅度有衰减并且底噪明显升高；第三，航电联试小信号不定向且射频前端信号完全消失，后级必然存在一个反馈环路至接收机组件中其他部件。

表1 内场测试时信道分机各测试点信号和噪声

表2 航电联试时信道分机各测试点信号和噪声

故障正是由航电联试时复杂的电磁环境引起，且故障点位于图3中比较器、方位滤波器、电压转换电路、音频放大电路这四个单元电路中。

图4 信道锁定信号产生电路部分原理图

结合信道分机工作原理，进行故障推演和模拟。设置天线模仿仪信号幅度为8mV，产品定向和收讯功能基本消失，罗盘不工作，产品有效信号与无效信号之比值即信噪比偏低致使罗盘不工作。前级对信道分机无输入信号，此时必有一路控制信号给到接收机中其他部件，抑制接收信号。在信道分机中恰有这样一个单元电路——产信道锁定信号“信道锁定TD_LOCK”的比较器电路。“信道锁定TD_LOCK”高有效，从信道分机传递至信息分机，产生静噪电压“静噪电平YBLOCK”来抑制音频电压。信道锁定信号产生电路原理图见图4，静噪抑制电路见图5。静噪原理是，同步检波器以3.6MHz晶振发出的基准信号对3.6MHz第2中频信号同步检波，当第2中频信号的频率和相位与基准信号一致则解调出的低频信号（图4）的直流电压约为-0.8V；如果不一致则失调，低频信号直流电压仍为负值但幅度远小于0.8V。当低频信号直流电压大小小于N9同相输入端的直流电压则信道锁定信号是低电平，反之是高电平，即失调时信道锁定信号为高，该高电平传递至信息分机，信息分机产生静噪电平的“静噪电平YBLOCK”（图5）为低，将音频放大器N17关断，环路失锁，音频电压消失，90Hz定向信号也消失。

图5 静噪抑制电路部分原理图

因此图4中比较器N9的输入端3脚决定了信道分机允许的噪音水平，底噪过高则检波器解调出的低频信号直流分量幅度过高，因为该电压为负值且位于运放反相输入端，最终导致三极管V29导通，信道锁定信道为高，环路失锁。经过测量，发现当天线模仿仪信号大小10mV以上时同步检波电路输出低频信号直流电压大小为-0.78V左右，已非常接近静噪电平-0.8V，会导致有效信号被当做噪音而被抑制。静噪电平由RP3设置，是可调项，微调RP3将N9同相输入端电压调节为-0.85V，以确保底噪无影响。经联调测试，故障消失。

4 结语

这是一起典型的噪音引起的机上无线电设备工作异常的故障。飞机设备舱内电磁环境复杂，一方面，无线电罗盘接收信号为μV级，中频信号频率为3.6MHz，对电磁兼容环境要求较高，其他信号辐射极易产生干扰；另一方面，相对于复杂的电磁环境和严格的性能要求，无线电罗盘本身性能逐渐衰减，器件可靠性降低。内场测试仅仅只针对产品自身性能进行检测，不能完全模拟机上电磁环境。航电联试发挥了极其关键的作用，为飞行安全和作战性能增加了一层保障。在飞机无线电设备的修理中，该类问题应该引起足够重视。