3.8. Частотные радиовысотомеры

Одной из особенностей частотного метода дальнометрии является возможность измерения сравнительно малых (1-2 м) расстояний.

Поэтому начиная примерно с 1936 г. и по настоящее время частотные радиодальномеры широко применяются в качестве самолетных посадочных высотомеров.

Измерение высоты полета самолета частотным методом является наиболее простой задачей радиодальнометрии, так как в этом случае имеется только один отражающий объект - поверхность земли. Поэтому на вход приемника, кроме прямого сигнала, поступает только один отраженный сигнал. Это обстоятельство позволяет выбрать любой закон частотной модуляции. Обычно в частотных радиовысотомерах применяют гармоническую модуляцию, как наиболее просто реализуемую.

При выборе девиации частоты необходимо учитывать, что увеличение f_д ведет к уменьшению минимальной измеряемой высоты [см. формулу (3.23)]. С этой точки зрения целесообразно увеличивать f_д. Однако увеличение f_д при заданных широкополосностях антенн и входной цепи приемника ведет к увеличению паразитной амплитудной модуляции прямого сигнала, что может уменьшить дальность действия высотомера.

В современных иностранных высотомерах девиацию частоты выбирают обычно порядка 70 Мгц. В высотомерах более ранних конструкций девиацию частоты выбирали обычно порядка 40 Мгц.

Выбор несущей частоты определяется размерами антенн, типом генератора высокой частоты, частотного модулятора и высокочастотной части приемника. Влиянием условий распространения радиоволн на выбор несущей частоты можно пренебречь, так как во-первых, дальность действия высотомера обычно не превышает десятка километров и, во-вторых, несущая частота обычно не превышает 4000 Мгц, а на этой частоте затуханием радиоволн в атмосфере можно пренебречь при любом состоянии погоды.

С точки зрения особенностей работы частотного высотомера выгодно несущую частоту выбирать как можно выше, так как это позволяет уменьшить паразитную модуляцию прямого сигнала.

В современных иностранных высотомерах несущая частота выбирается порядка 4000 Мгц. В высотомерах прежних конструкций несущая частота была порядка 400 Мгц.

При выборе частоты модуляции прежде всего необходимо обеспечить однозначность дальнометрии, для чего необходимо выполнить условие

Откуда

Так, например, при H_макс = 6000 м частота модуляции не должна превышать 10000 гц. Однако частоту модуляции обычно выбирают значительно ниже. Дело в том, что уменьшение F_M ведет к уменьшению полосы пропускания усилителя низкой частоты высотомера, что выгодно с точки зрения повышения чувствительности приемника.

Действительно, полоса пропускания усилителя низкой частоты

Так как

то

Подставляя значение F_макс из формулы (3.18), получаем

Разумеется, что в выражение (3.39) следует подставлять значение всех величин для одного и того же диапазона измеряемых высот.

Из выражения (3.39) видно, что с уменьшением частоты модуляции будет уменьшаться и требуемая полоса пропускания усилителя низкой частоты.

Однако беспредельно уменьшать частоту модуляции нельзя, так как при этом потребуется слишком большая постоянная времени частотомера. Выше было показано, что при гармоническом законе модуляции частота биений все время меняется (рис. 3.9). Поэтому постоянная времени частотомера должна быть больше, чем полупериод модуляции. В противном случае показания высотомера будут в течение периода модуляции меняется, что, конечно, недопустимо. Очень большая постоянная времени частотомера приведет к тому, что при посадке самолета показания высотомера будут отставать от истинной высоты. Поэтому частоту модуляции обычно выбирают порядка 120 гц и реже 1000 гц.

Частотная характеристика усилителя низкой частоты высотомера должна обеспечивать постоянство выходного напряжения при изменении высоты.

Требуемая частотная характеристика может быть определена следующим путем.

Мощность отраженного сигнала на входе приемника будет

где П₂ - плотность потока энергии отраженного сигнала,

S₂ - эффективная поверхность приемной антенны.

Для случая, когда отражение от поверхности земли происходит по закону зеркального отражения, плотность потока энергии отраженного сигнала будет

где Р₁ - мощность генератора,

G₁ - коэффициент усиления передающей антенны,

F - коэффициент отражения.

Поэтому мощность отраженного сигнала будет

Как видим, мощность отраженного сигнала обратно пропорциональна квадрату высоты. Следовательно, входное напряжение приемника высотомера обратно пропорционально высоте, т. е.

Ранее было показано, что напряжение на выходе детектора пропорционально напряжению отраженного сигнала. Поэтому напряжение на входе усилителя низкой частоты будет также обратно пропорционально высоте, т. е.

Напряжение на выходе усилителя низкой частоты будет

где k - коэффициент усиления усилителя.

Так как частота биений пропорциональна высоте, т. е.

то

Для того чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения, необходима частотная характеристика усилителя низкой частоты вида

Здесь k₁, k₂, k₃, k₄, k₅ - коэффициенты пропорциональности.

Рис. 3.20. Частотная характеристика усилителя низкой частоты: а - идеальная, б - реальная

На рис. 3.20 представлены идеальная и реальная частотные характеристики усилителя низкой частоты. Такая характеристика достигается путем применения в каскадах усилителя отрицательной обратной связи по току, величина которой зависит от частоты.