對數(shù)周期偶極子天線在航向覆蓋中的作用

施先貴

摘 要

對浦東機(jī)場使用的NORMAC公司生產(chǎn)的24單元航向天線陣的信號合成和信號覆蓋進(jìn)行分析與計(jì)算。通過不同的合成方法進(jìn)行優(yōu)化，獲得了與對數(shù)周期偶極子天線（LPDA）場型分布高度吻合的分布函數(shù)。使用對數(shù)周期偶極子天線的水平方向的分布特征，來對比全向天線陣的信號合成與對數(shù)周期偶極子天線陣的信號合成的差別。分析結(jié)果表明：對數(shù)周期偶極子天線能夠明顯抑制大角度旁瓣信號的輻射，從而降低機(jī)場附近因信號折射造成的干擾，并能夠有效提高航向覆蓋區(qū)內(nèi)的射頻。

【關(guān)鍵詞】航向信標(biāo) 對數(shù)周期偶極子天線 擬合 覆蓋

1 引言

在儀表著陸系統(tǒng)中，航向信標(biāo)主要為飛機(jī)提供水平方位的引導(dǎo)信息，航向天線陣主要使用對數(shù)周期偶極子天線（LPDA）。由于LPDA頻帶很寬，性能優(yōu)良且結(jié)構(gòu)簡單，自1960年提出后，在短波，超短波，微波低端等波段的通信，側(cè)向，電子對抗等方面得到廣泛應(yīng)用。所謂對數(shù)周期，指的是天線的特性按照對數(shù)頻率的周期而變化，從結(jié)構(gòu)上說，由七個(gè)偶極子組成，偶極子的長度和間距都是可以調(diào)節(jié)的，相鄰的偶極子彼此反相饋電，這種饋電方式抑制了反向信號的輻射，一般前后輻射比可以達(dá)到26 dB。同時(shí)尖端饋電使得輻射方向更集中，天線本身具有良好的方向性便成為一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。本文選擇Normarc 3500系列天線陣的24單元天線為例，通過對遠(yuǎn)場信號模擬，從LPDA分布特點(diǎn)以及天線陣的饋電信號合成上入手，對比LPDA和全向天線在覆蓋，研究LPDA所起的作用。

2 結(jié)果與分析

本文以浦東機(jī)場17L為例，載波頻率f：110.7 MHz，對應(yīng)λ= 2.71 m，發(fā)射天線高度為h：3.3 m，航向天線陣后撤距離D：295 m，以此參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.1 3525型航向天線陣的介紹

NORMARC 3525天線系統(tǒng)，共有24個(gè)發(fā)射天線（以下簡稱24單元），采取等間隔排列，間隔距離為四分之三個(gè)波長（中心頻率：110.1 MHz），天線陣全長57米。

2.1.1 對數(shù)周期偶極子天線（LPDA）

圖1為Normarc公司生產(chǎn)的LPDA在自由空間的水平輻射方向圖，天線的比例因子τ：0.93，頂角α：10°。半功率（-3 dB）對應(yīng)的角度：23°，其分布特點(diǎn)為0°時(shí)信號最大，隨著方位角的增大，信號快速減小，當(dāng)方位角超過70°，其衰減已將至-30 dB以下。而在后方約120°到180°之間由出現(xiàn)了兩個(gè)小波瓣，均在-25 dB以下。180°位置的大小約為-26 dB，其增益能達(dá)到9～10 dBi。由于分析需要，必須找到LPDA的分布函數(shù)，但是依照天線尺寸和內(nèi)部饋線分布進(jìn)行其嚴(yán)格的計(jì)算，過程十分繁瑣。從實(shí)際出發(fā)，將廠方給出的LPDA分布作為標(biāo)準(zhǔn)值，找到一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)值吻合的數(shù)學(xué)表達(dá)式，作為其LPDA分布函數(shù)也不失為一種有效的方法。

2.1.2 對LPDA分布的數(shù)學(xué)擬合

圖2通過三種擬合方式給出LPDA分布，并與實(shí)際值進(jìn)行吻合性比較。首先借鑒天線陣的信號合成思路，用天線對合成方法進(jìn)行嵌套擬合。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，LPDA的分布特點(diǎn)與正余弦函數(shù)有相似之處，不妨利用三角函數(shù)來擬合，如果用多項(xiàng)式疊加擬合，符合度可以進(jìn)一步提高，最后結(jié)果如右圖藍(lán)色曲線所示，擬合曲線與實(shí)際曲線符合度極好，這便保證了以下分析中，利用LPDA模擬場形分布等計(jì)算的合理性。根據(jù)附件十，航向水平覆蓋范圍是±35°，而以上曲線擬合范圍為±70°。

以下所用分析均使用第三種擬合的方法的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

2.2 天線分配單元（ADU）及天線陣的分布

天線分配單元決定了饋送給每個(gè)天線哪些信號，饋線信號的幅度以及初始相位。而天線陣的位置分布對于合成信號起著很大作用，不同廠家不同單元的天線陣，其分布方式也不同。

2.2.1 ADU簡介

天線分配單元（ADU）包含了分配到每個(gè)天線的信號種類，每種信號對應(yīng)的幅值和相位。表1給出了24單元，天線分配關(guān)系。其中給出了四個(gè)通道：COU-CSB，COU-SBO，CLR-CSB，CLR-SBO之間，幅值和相位的相互關(guān)系，并確定了其名義寬度為4°所對應(yīng)的COU-SBO幅度。

2.2.2 天線對合成原理

對于航道信號，以中心為基準(zhǔn)，相距相同距離的每一對天線合成波瓣，經(jīng)過每一對的疊加后，達(dá)到方向性很好的覆蓋信號，其中CSB是同幅值同相位合成，航道上有最大值，SBO為同幅值反相位，航道上為零，合成波瓣左右相位相反，達(dá)到辨向的目的。對于初相位不同幅值（E0）相同的天線對在遠(yuǎn)場空間合成波瓣的公式為：

Et=2E0cos[hsin（θ）+（φ1- φ2）/2]/ （φ1+ φ2）/2

（1）

h為天線到中心點(diǎn)距離的電氣長度，θ為方位角，往1號天線轉(zhuǎn)，φ為天線初始相位。斜杠后下劃線部分為合成波瓣的相位。同幅值同相位合成波瓣2E0cos[hsin（θ）]/φ相位與同幅值反相位2E0cos[hsin（θ）-90°] /φ+90°= 2sin（hsin（θ）） /φ+90°。SBO初相位-90°與+90°保證了合成的波瓣與CSB同相。

2.2.3 信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式-信號疊加原理

由表1給出數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)場天線對合成方法，即1號和24號，其幅度和到中心線距離都相同組成一對，2號和23號組成第二對……共12對，根據(jù)信號疊加原理，總的合成信號可以通過每一對信號疊加進(jìn)行計(jì)算，其CSB合成信號表達(dá)式分別為：

（2）

其中En是對應(yīng)天線的相對幅度，Dn是天線到中心線的物理距離，乘以2π/λ后轉(zhuǎn)化為電氣長度，φn理論上是0°或180°，而實(shí)際上由于發(fā)射電纜的電氣長度不完全相同會(huì)有所差異。

2.3 信號合成與分析

對于24單元天線陣，對于單元天線水平輻射方式均為圖一所示，而不是簡單的全向性。直接將這種分布疊加合成，其場型分布就更為復(fù)雜，計(jì)算難度也隨之提高。

2.3.1 方向圖乘積原理

為了解決計(jì)算的問題，需要找到一個(gè)簡便合理的方法，而不直接使用LPDA天線對合成，這里提出一個(gè)方案：方向圖乘積原理：一個(gè)可分解的多元天線陣的方向圖，等于子陣的方向圖乘以子陣為單元天線陣的方向圖。即我們可以先使用全向性的24個(gè)天線進(jìn)行疊加，疊加之后的場型再乘以每個(gè)天線的LPDA方向圖，從而獲得最終分布方式。

這是模型計(jì)算可行性的理論依據(jù)，同時(shí)，按照這個(gè)原理，還可以直觀的比較全方向天線陣的合成場型與LPDA天線陣合成的差異。

2.3.2 覆蓋

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定航向信標(biāo)臺(tái)發(fā)射水平極化的扇形合成場，其信號覆蓋區(qū)為：以航向信標(biāo)天線為基準(zhǔn)，在跑道中線延長線±10°以內(nèi)為25 Nm（46.3 km），在+10°～ +35°以及-10°～ -35°之間為17（Nm）31.5 km，如圖3所示。

由上述（2）式的信號疊加，可以得到24個(gè)全方向輻射的天線空間信號，通過對實(shí)際設(shè)備輻射場強(qiáng)的模擬計(jì)算，其合成后的輻射分布如圖4所示。在航道線上的功率最大，航道CSB約-65 dBm，之后迅速減小，6°以外直接降到-100 dBm以下，此外的信號完全由余隙CSB占主導(dǎo)。對于余隙CSB的分布，除了航道線和±42°的位置有下降外，其它角度上的射頻值基本穩(wěn)定維持在-75到-80 dBm之間。然而由圖3的覆蓋要求可知，真正需要覆蓋的信號區(qū)域是在±35°以內(nèi)，之外的信號是不必要的。

2.3.3 LPDA在覆蓋中的作用

為了改變能量的輻射分布，用對數(shù)周期偶極子天線來替代全方向天線，其輻射分布計(jì)算結(jié)果如圖5所示。與圖4中相比，可以明顯看到大角度情況下信號的削弱。尤其是覆蓋區(qū)以外，±40°之后的信號得到了有效的抑制。大角度信號的衰減都集中到了小角度上，在航道線上，射頻達(dá)到約-55 dBm，比全向天線高了約10 dB，這就是LPDA的增益。

在實(shí)際情況下，飛機(jī)不會(huì)對航道CSB和余隙CSB分別接收。根據(jù)捕獲效應(yīng)，兩個(gè)頻率十分接近的信號同時(shí)到達(dá)接收機(jī)，一個(gè)較強(qiáng)，一個(gè)較弱，強(qiáng)的信號被解調(diào)，弱的信號被抑制。所以最終的覆蓋信號由航道和余隙共同組成，小角度由航道CSB主導(dǎo)，大角度由余隙CSB主導(dǎo)。圖6給出了全向天線和LPDA的覆蓋，以及飛行校驗(yàn)的射頻門限（-93 dBm）。

3 結(jié)束語

以NORMARC 3525的24單元航向天線陣為研究對象，根據(jù)技術(shù)手冊中公布的輻射分布資料，建立了對數(shù)周期偶極子天線（LPDA）的輻射函數(shù)。

根據(jù)實(shí)際設(shè)備的信號輻射情況，在遠(yuǎn)場下，通過天線對合成原理，建立天線陣模型。進(jìn)行了天線陣的信號覆蓋分布的計(jì)算。并通過對全向天線和LPDA的輻射分布進(jìn)行比較，差異化分析。對比表明：

（1）LPDA能夠有效抑制大角度輻射信號，避免多徑干擾；

（2）大比例的前后幅值能夠降低對背面障礙物的凈空要求，同時(shí)又省去了安裝反射網(wǎng)的步驟；

（3）相對于全向天線有9到10dB的增益，使得在航向覆蓋的±35°范圍內(nèi)均能得到有效提高，有效避免覆蓋不足。

參考文獻(xiàn)

[1]7000B Training Manual 24036-042[Z]， June 2012.

作者單位

民航華東空管局設(shè)備維修中心 上海市 200335