CN202696596U

CN202696596U - 一种acas和xpdr射频综合化设计系统

Info

Publication number: CN202696596U
Application number: CN2012203711069U
Authority: CN
Inventors: 王杰
Original assignee: Sichuan Jiuzhou ATC Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Jiuzhou ATC Technology Co Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2022-07-30

Abstract

本实用新型公开了一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，属于空中交通管制领域，包括上定向天线、下定向天线、天线通道切换开关、ACAS接收机、XPDR接收机、射频电缆和发射机，所述的发射机为ACAS/XPDR一体发射机；上定向天线、下定向天线分别通过射频电缆连接天线通道切换开关，天线通道切换开关再分别连接ACAS接收机、XPDR接收机和ACAS/XPDR一体发射机。本实用新型的有益效果在于：ACAS和XPDR射频综合化设计系统可代替传统分离的ACAS和XPDR射频收发系统，本实用新型在工程上容易实施，有效地实现了ACAS和XPDR射频综合化设计。

Description

一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统

所属技术领域

本实用新型涉及空中交通管制领域，尤其涉及一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统。

背景技术

ACAS（Airborne Collision Avoidance System）称为机载防撞系统，TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）称为空中交通告警和防撞系统，前者名称是由欧洲航行安全局（EUROCONTROL）定义,后者由美国联邦航空局（FAA）定义，两种名称的系统含义、组成和功能都是一致的。

ACAS基于航管二次雷达的工作原理，由ACAS的询问发射机对空中目标飞机进行前、后、左、右四个区域进行扫描询问，附近装有应答机（S模式/ATCRBS应答机）的飞机（目标机），就会做出应答。ACAS接收应答信号后，便可以计算出相对距离、高度、方位、遭遇时间和升降速度，当出现潜在冲突时，向驾驶员提供警告信息和处置建议，从而避免与空域其他飞机相撞危险的发生。

应答机（Transponder：XPDR）是一种空中交通管制二次雷达系统接收发射设备，它可以对模式A、C和模式S的询问进行应答。XPDR根据收到的地面雷达或空中飞机询问信息类型进行应答一组确认信息。从XPDR获得的应答信息可以在空中交通管制系统中显示相应飞机的身份（代码）、高度、位置信息。XPDR的S模式数据链可以用于两架装备ACAS飞机间进行传送ACAS相关信息。

ACAS工作频率为发射1030MHZ，接收1090MHZ；XPDR工作频率发射1090MHZ，接收1030MHZ。传统机载ACAS和XPDR系统都有各自的射频收发机和天线，因此，每架飞机可能安装一组ACAS上、下定向天线和一组XPDR上、下全向天线，上天线安装在飞机机身上面，下天线安装在飞机机身下面，每个天线都需要各个独立射频电缆相连接，ACAS的两个定向天线和XPDR的两个全向天线为无源天线，即内部无低频信号。传统机载ACAS和XPDR系统射频组成及连接关系如图1所示。ACAS上定向天线和下定向天线分别通过四根射频电缆连接到ACAS射频收发单元，它包含ACAS天线通道切换开关、ACAS发射机和ACAS接收机（其包含4个接收分机）。XPDR上全向天线和下全向天线分别通过两根射频电缆连接到XPDR射频收发单元，它包含XPDR天线通道切换开关、XPDR发射机和XPDR接收机（其包含2个接收分机）。ACAS射频收发单元与XPDR射频收发单元之间通过闭锁信号进行连接，闭锁信号使ACAS和XPDR收发单元在一定时间内进行互斥，即ACAS在发射时禁止XPDR接收与发射或XPDR发射时禁止ACAS接收与发射；同时，该信号还使ACAS、XPDR设备与飞机上同频段设备进行闭锁。

传统分离的ACAS和XPDR系统需要四个天线、各自的射频电缆、发射机和天线通道切换开关，这种分离的射频形式导致系统重量重、体积大、功耗高、成本高。随着航空电子系统综合模块化（IMA）的发展趋势，传统分离的ACAS和XPDR系统缺点也越来越明显，通过ACAS和XPDR射频综合化设计系统不但可以大大改进原缺点，而且还满足航空电子系统综合模块化（IMA）的发展趋势，并提高了ACAS和XPDR射频的可靠性与稳定性。

ACAS和XPDR射频综合化设计组成框图如图2所示，它共用一个天线通道切换开关连接ACAS接收机、ACAS/XPDR一体发射机和XPDR接收机到两个定向天线。因为传统机载ACAS和XPDR系统协同工作时，两者发射都是主动且相互闭锁，两者仅是频率和功率不同，因此一个单独综合设计发射机可以满足两者发射需求。由于ACAS和XPDR是实时接收工作，而且两者接收频率不同，为了满足ACAS和XPDR接收的实时性要求，它们分别拥有独自的接收机。

传统ACAS发射和接收是定向的，XPDR发射和接收是全向的。在综合化设计中，ACAS和XPDR共用定向天线，可以实现天线口径统一，ACAS发射和接收特性与传统系统相同；对于XPDR系统，需要由定向天线来满足XPDR发射信号在空间的全向辐射要求，同时利用上下定向天线的四个通道定向接收实现XPDR接收；因传统XPDR全向接收时，通过比较上下全向天线的两个接收分机收到的全向信号的幅度强度来判断是接收信号是来自上天线或下天线为主，然后根据接收到的信息进行对应上或下天线的应答；对XPDR通过上下两个定向天线多个通道接收到定向信号而言，同样可以通过比较接收分机从多个通道接收的信号的幅度强度来判断上天线或下天线后选择对应天线进行应答，因此，XPDR的定向接收与全向接收等效。

实用新型内容

本实用新型旨在解决传统ACAS和XPDR系统射频分离设计存在的缺点，提供一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，该设计方法在工程上容易实施。

本实用新型的技术解决方案为：一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，包括上定向天线、下定向天线、天线通道切换开关、ACAS接收机、XPDR接收机、射频电缆和发射机，所述的发射机为ACAS/XPDR一体发射机；上定向天线、下定向天线分别通过射频电缆连接天线通道切换开关，天线通道切换开关再分别连接ACAS接收机、XPDR接收机和ACAS/XPDR一体发射机；

上定向天线、下定向天线：形成对ACAS 1030MHZ询问信号在空间定向辐射和XPDR 1090MHZ应答信号在空间的全向辐射，同时完成对空间ACAS和XPDR的接收信号的实时定向接收；

ACAS/XPDR一体发射机：发射ACAS的1030MHZ和XPDR的1090MHZ两种信号；

天线通道切换开关：根据系统工作要求实时控制射频信号的发射和接收；ACAS接收机：实现对上定向天线或下定向天线的1090MHZ信号的实时接收；

XPDR接收机：实现对上定向天线和下定向天线的1030MHZ信号的实时接收。

作为优选：上定向天线、下定向天线分别包括天线波束形成网络、四路分配器、单极阵子、射频端子，上定向天线、下定向天线可以选择天线内部的四个射频端子中任何一个作为XPDR的1090MHZ发射信号进入端口，并根据XPDR的1090MHZ发射信号进入端口的不同，天线内部开关和四路分配器连接到对应的进入端口。

作为优选：天线通道切换开关包括分集开关、收发开关、ACAS发射选择开关、放大器、功分器和滤波器。

作为优选：ACAS信号依次经过放大器、功分器、滤波器后输出给ACAS接收机；XPDR信号依次经过放大器、功分器、滤波器后输出给XPDR接收机。

作为优选：所述的ACAS接收机包括4个不同方向的ACAS接收分机，所述的XPDR接收机包括4个不同方向的上天线接收分机和4个不同方向的下天线接收分机。

作为优选：所述的射频电缆为8根且等长同频同相；所述的分集开关包括4个ACAS发射分集开关和1个XPDR发射分集开关，收发开关有8个。

作为优选：所述的单极阵子有4个，4个单极阵子分别连接4个开关，即K1、K2、K3、K4，4个开关再分别连接1个四路分配器和1个天线波束形成网络，四路分配器和天线波束形成网络再连接第五个开关即K0，K0再与天线通道切换开关连通。

作为优选：接收信号从上、下定向天线经射频电缆传输到天线通道切换开关后，再通过功分器实现接收信号实时流向ACAS接收机和XPDR接收机，同时天线通道切换开关网络的放大器、功分器进行比例匹配，保障信号从天线端子到接收机端功率一致。

作为优选：XPDR信号依次经过放大器、功分器、滤波器后，再通过合成器把四路XPDR信号合成一路并输出给XPDR接收机。

作为优选：所述的XPDR接收机包括一个上天线接收分机和一个下天线接收分机

本实用新型与现有技术比的优点在于：一种ACAS和XPDR射频综合设计系统可代替传统分离的ACAS和XPDR射频收发系统，并满足ACAS和XPDR射频收发技术指标的要求；ACAS和XPDR射频综合设计不但有效减小了系统的重量、体积、功耗和成本，而且符合航空电子系统综合模块化（IMA）的发展趋势，提高了系统的可靠性和稳定性；同时，ACAS和XPDR射频综合设计方法在工程上容易实施，可以在我国未来研制的新型机载监视防撞设备上推广和应用。

附图说明

图1为传统分离机载ACAS和XPDR系统射频组成及连接关系示意图；

图2为本实用新型ACAS和XPDR射频综合化设计组成框图；

图3为本实用新型ACAS和XPDR射频综合化设计系统的详细实现框图；

图4为本实用新型ACAS和XPDR射频综合化设计系统的另一种详细实现框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图3所示，ACAS和XPDR射频综合化设计后，它们共用天线、发射机、天线通道切换开关和射频电缆，ACAS和XPDR接收机分离设计，它们包含各自的接收分机。综合设计后系统满足ACAS 1030MHZ询问信号在空间定向辐射和XPDR 1090MHZ应答信号在空间的全向辐射要求，同时满足ACAS和XPDR对空间接收信号的实时接收要求。

在ACAS的1030MHZ发射工作模式时，1030MHZ发射信号从ACAS/XPDR一体发射机出来后，经过ACAS/XPDR发射选择开关和ACAS发射滤波，由ACAS发射开关控制发射信号到四个ACAS发射分集开关1、分集开关2、分集开关3或分集开关4中的一个，然后由该分集开关控制1030MHZ射频信号进入到与上定向天线对应的收发开关1、收发开关2、收发开关3或收发开关4后经射频电缆到上定向天线四个射频端子中一个；或者经过相对应的ACAS发射分集开关1、分集开关2、分集开关3或分集开关4进入到与下定向天线对应的收发开关5、收发开关6、收发开关7或收发开关8后经射频电缆到上定向天线四个射频端子中一个。1030MHZ射频信号进入到上定向天线或下定向天线对应的四个射频端子中一个后，经过天线内部天线波束形成网络后，向对应的一个天线阵子发射出去，在空间形成ACAS系统需要的1030MHZ定向辐射，1030MHZ在空间定向辐射四个方向为前方（0°）、右方（90°）、后方（180°）和左方（270°），即四个方向方位相差90°。如果1030MHZ信号从定向天线第一端子（0°）进入天线内部时，它需要经过天线内部开关K0进入到天线波束形成网络形成ACAS 1030MHZ发射信号的前方方向（0°）定向辐射。在ACAS定向发射时，天线内部开关K1~K4连接到天线波束形成网络。每次ACAS的1030MHZ发射只能形成上定向天线或下定向天线在空间前方（0°）、右方（90°）、后方（180°）和左方（270°）中一个方位的定向辐射。

在XPDR的1090MHZ发射工作模式时，1090MHZ发射信号从ACAS/XPDR一体发射机出来后，经过ACAS/XPDR发射选择开关选择和XPDR发射滤波后，由XPDR发射分集开关控制发射信号到与上定向天线对应的收发开关1后，经对应的射频电缆进入上定向天线第1个射频端子，或者到与下定向天线对应的收发开关5后，经对应的射频电缆进入下定向天线第1个射频端子；XPDR的1090MHZ射频信号进入到上定向天线或下定向天线第一个射频端子后，经天线内部开关K0到四路分配器后，1090MHZ射频信号同时经过开关K1、K2、K3和K4向定向天线的四个单极阵子发射出去，在空间形成XPDR系统需要的1090MHZ全向辐射。在XPDR全向发射时，天线内部开关K0、K1、K2、K3和K4连接到四路分配器上。每次XPDR的1090MHZ发射只能形成上定向天线或下定向天线的全向辐射。

因为ACAS在对上定向天线或下定向天线进行定向询问后，其接收由ACAS的接收分集开关1、接收分集开关2、接收分集开关3和接收分集开关4来选择接收对应的上定向天线或下定向天线的信号，因此，ACAS接收分为上天线或下天线两种接收工作模式。

在ACAS选择上天线接收工作模式时，到达天线的ACAS的1090MHZ接收信号通过上定向天线内部的开关K1、K2、K3和K4到天线波束形成网络、开关K0后，经过上定向天线四个射频端子相连的射频电缆到收发开关1、收发开关2、收发开关3、收发开关4后，1090MHZ射频信号经放大、功分后一路进入到ACAS接收分集开关1、分集开关2、分集开关3、分集开关4后，经ACAS接收滤波后进入到ACAS的接收机（包含0°、90°、180°和270°四个接收分机），完成ACAS对上定向天线的接收；经功分器功分后另一路1090MHZ射频信号进入到XPDR接收滤波器后被滤掉。ACAS四个接收机通过比较信号的强弱来决定收到信号是来自上天线哪个方向的应答。

在ACAS选择上天线接收的同时，如果到达的上下天线的接收信号为XPDR的1030MHZ时，该信号通过上下定向天线的开关K1、K2、K3和K4到天线波束形成网络、开关K0后，经过上下定向天线四个射频端子相连射频电缆到收发开关1、收发开关2、收发开关3、收发开关4和收发开关5、收发开关6、收发开关7、收发开关8后；1030MHZ射频信号经放大、功分分后一路进入到ACAS的接收分集开关，经ACAS接收滤波后滤掉；经功分器功分后另一路1030MHZ射频接收信号进入到XPDR接收滤波后进入到XPDR的上天线四个方向的接收分机和下天线的四个方向的接收分机中。XPDR上下天线接收分机可同时完成1030MHZ信号从上天线和下天线的全空间接收，通过比较上下天线接收分机信号的幅度强度来判断信号来自上天线或下天线。

在ACAS选择下天线接收工作模式时，到达天线的ACAS的1090MHZ接收信号通过下定向天线的开关K1、K2、K3和K4到天线波束形成网络、开关K0后，经过下定向天线四个射频端子相连的射频电缆到收发开关5、收发开关6、收发开关7、收发开关8后，1090MHZ射频信号经放大、功分后一路进入到ACAS的接收上下分集开关1、分集开关2、分集开关3、分集开关4，然后ACAS接收滤波后进入到ACAS四个方向接收分机；经功分器功分后另一路1090MHZ射频信号进入到XPDR接收滤波后被滤掉。ACAS的四个接收机通过比较信号的强弱来决定收到信号是来自下天线哪个方向的应答。

在ACAS选择下天线接收的同时，XPDR的1030MHZ接收与ACAS选择上天线接收工作过程一样，1030MHZ信号经上下定向天线和通道开关后进入到XPDR的上下天线接收分机。

因此，无论ACAS在上天线接收或下天线接收工作时，系统可同时实现上下天线对XPDR 1030MHZ信号的实时接收。在系统进行接收工作时，上、下定向天线的开关K0、K1、K2、K3和K4都连接到天线波束形成网络上，保障空间信号从单极阵子经波束形成网络到达天线四个射频端子上。

在ACAS和XPDR射频综合化实现时，连接到上、下定向天线的四个射频端子的射频电缆选用长度一致的同频同相电缆，这样不但以保障射频信号因电缆损耗的一致，同时可以保障接收信号幅度、相位误差一致，进一步提高接收信号的真实性。

天线通道切换开关的网络设计。

(1) 天线通道切换开关的分集开关、收发开关等开关选用高、精、小型组件。天线通道开关网络切换时间设计小于1us，即从接收转换到发射状态或者从发射转换到接收状态过程中整个天线通道切换开关动作时间小于1us。

(2)ACAS或XPDR发射时，天线通道切换开关每次只能控制发射信号到达上定向天线或下定向天线中的一个射频端子。

(3)接收信号从上、下定向天线经射频电缆到天线通道切换开关的收发开关后，通过功分器实现接收信号同时流向ACAS接收分机和XPDR接收分机，保证ACAS和XPDR接收的实时性，同时天线通道切换开关网络的放大器、功分器进行比例匹配，保障信号从天线端子到接收机端功率一致。

图4为本实用新型一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统替代实现方法框图。按照图4进行ACAS和XPDR射频综合化设计后，它们共用天线、发射机、天线通道切换开关和射频电缆，ACAS和XPDR接收机分离设计，它们包含各自的接收分机。综合设计后系统满足ACAS 1030MHZ询问信号在空间定向辐射和XPDR 1090MHZ应答信号在空间的全向辐射要求，同时满足ACAS和XPDR对空间接收信号的实时接收要求。

在图4中，ACAS的发射和接收流程与图3完全一致。

其接收的1030MHZ射频信号经XPDR接收滤波后进入到1个合成器，把四路信号合成一路进入到XPDR的上天线和下天线的接收分机，XPDR上下天线接收分机通过比较上下天线接收分机信号的幅度强度来判断信号来自上天线或下天线，其功效与图3一致。

这样描述了本实用新型，很明显可以以各种方式改变。这种改变不意为在脱离本实用新型的精神和原则之内。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，包括上定向天线、下定向天线、天线通道切换开关、ACAS接收机、XPDR接收机、射频电缆和发射机，其特征在于：所述的发射机为ACAS/XPDR一体发射机；上定向天线、下定向天线分别通过射频电缆连接天线通道切换开关，天线通道切换开关再分别连接ACAS接收机、XPDR接收机和ACAS/XPDR一体发射机；

ACAS/XPDR一体发射机：发射ACAS的1030MHZ和XPDR的1090MHZ两种信号；

2.根据权利要求1所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：上定向天线、下定向天线分别包括天线波束形成网络、四路分配器、单极阵子、射频端子，上定向天线、下定向天线可以选择天线内部的四个射频端子中任何一个作为XPDR的1090MHZ发射信号进入端口，并根据XPDR的1090MHZ发射信号进入端口的不同，天线内部开关和四路分配器连接到对应的进入端口。

3.根据权利要求2所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：天线通道切换开关包括分集开关、收发开关、ACAS发射选择开关、放大器、功分器和滤波器。

4.根据权利要求3所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：ACAS信号依次经过放大器、功分器、滤波器后输出给ACAS接收机；XPDR信号依次经过放大器、功分器、滤波器后输出给XPDR接收机。

5. 根据权利要求4所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：所述的ACAS接收机包括4个不同方向的ACAS接收分机，所述的XPDR接收机包括4个不同方向的上天线接收分机和4个不同方向的下天线接收分机。

6. 根据权利要求3或4或5所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：所述的射频电缆为8根且等长同频同相；所述的分集开关包括4个ACAS发射分集开关和1个XPDR发射分集开关，收发开关有8个。

7. 根据权利要求2或5所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：所述的单极阵子有4个，4个单极阵子分别连接4个开关，即K1、K2、K3、K4，4个开关再分别连接1个四路分配器和1个天线波束形成网络，四路分配器和天线波束形成网络再连接第五个开关即K0，K0再与天线通道切换开关连通。

8. 根据权利要求3或4或5所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：接收信号从上、下定向天线经射频电缆传输到天线通道切换开关后，再通过功分器实现接收信号实时流向ACAS接收机和XPDR接收机，同时天线通道切换开关网络的放大器、功分器进行比例匹配，保障信号从天线端子到接收机端功率一致。

9. 根据权利要求3所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：XPDR信号依次经过放大器、功分器、滤波器后，再通过合成器把四路XPDR信号合成一路并输出给XPDR接收机。

10. 根据权利要求9所述的一种ACAS和XPDR射频综合化设计系统，其特征在于：所述的XPDR接收机包括一个上天线接收分机和一个下天线接收分机。