对数周期偶极子天线在航向覆盖中的作用

施先贵

摘 要

对浦东机场使用的NORMAC公司生产的24单元航向天线阵的信号合成和信号覆盖进行分析与计算。通过不同的合成方法进行优化，获得了与对数周期偶极子天线（LPDA）场型分布高度吻合的分布函数。使用对数周期偶极子天线的水平方向的分布特征，来对比全向天线阵的信号合成与对数周期偶极子天线阵的信号合成的差别。分析结果表明：对数周期偶极子天线能够明显抑制大角度旁瓣信号的辐射，从而降低机场附近因信号折射造成的干扰，并能够有效提高航向覆盖区内的射频。

【关键词】航向信标 对数周期偶极子天线 拟合 覆盖

1 引言

在仪表着陆系统中，航向信标主要为飞机提供水平方位的引导信息，航向天线阵主要使用对数周期偶极子天线（LPDA）。由于LPDA频带很宽，性能优良且结构简单，自1960年提出后，在短波，超短波，微波低端等波段的通信，侧向，电子对抗等方面得到广泛应用。所谓对数周期，指的是天线的特性按照对数频率的周期而变化，从结构上说，由七个偶极子组成，偶极子的长度和间距都是可以调节的，相邻的偶极子彼此反相馈电，这种馈电方式抑制了反向信号的辐射，一般前后辐射比可以达到26 dB。同时尖端馈电使得辐射方向更集中，天线本身具有良好的方向性便成为一个很大的优点。本文选择Normarc 3500系列天线阵的24单元天线为例，通过对远场信号模拟，从LPDA分布特点以及天线阵的馈电信号合成上入手，对比LPDA和全向天线在覆盖，研究LPDA所起的作用。

2 结果与分析

本文以浦东机场17L为例，载波频率f：110.7 MHz，对应λ= 2.71 m，发射天线高度为h：3.3 m，航向天线阵后撤距离D：295 m，以此参数进行计算。

2.1 3525型航向天线阵的介绍

NORMARC 3525天线系统，共有24个发射天线（以下简称24单元），采取等间隔排列，间隔距离为四分之三个波长（中心频率：110.1 MHz），天线阵全长57米。

2.1.1 对数周期偶极子天线（LPDA）

图1为Normarc公司生产的LPDA在自由空间的水平辐射方向图，天线的比例因子τ：0.93，顶角α：10°。半功率（-3 dB）对应的角度：23°，其分布特点为0°时信号最大，随着方位角的增大，信号快速减小，当方位角超过70°，其衰减已将至-30 dB以下。而在后方约120°到180°之间由出现了两个小波瓣，均在-25 dB以下。180°位置的大小约为-26 dB，其增益能达到9～10 dBi。由于分析需要，必须找到LPDA的分布函数，但是依照天线尺寸和内部馈线分布进行其严格的计算，过程十分繁琐。从实际出发，将厂方给出的LPDA分布作为标准值，找到一个与标准值吻合的数学表达式，作为其LPDA分布函数也不失为一种有效的方法。

2.1.2 对LPDA分布的数学拟合

图2通过三种拟合方式给出LPDA分布，并与实际值进行吻合性比较。首先借鉴天线阵的信号合成思路，用天线对合成方法进行嵌套拟合。通过观察可以发现，LPDA的分布特点与正余弦函数有相似之处，不妨利用三角函数来拟合，如果用多项式叠加拟合，符合度可以进一步提高，最后结果如右图蓝色曲线所示，拟合曲线与实际曲线符合度极好，这便保证了以下分析中，利用LPDA模拟场形分布等计算的合理性。根据附件十，航向水平覆盖范围是±35°，而以上曲线拟合范围为±70°。

以下所用分析均使用第三种拟合的方法的结果进行计算。

2.2 天线分配单元（ADU）及天线阵的分布

天线分配单元决定了馈送给每个天线哪些信号，馈线信号的幅度以及初始相位。而天线阵的位置分布对于合成信号起着很大作用，不同厂家不同单元的天线阵，其分布方式也不同。

2.2.1 ADU简介

天线分配单元（ADU）包含了分配到每个天线的信号种类，每种信号对应的幅值和相位。表1给出了24单元，天线分配关系。其中给出了四个通道：COU-CSB，COU-SBO，CLR-CSB，CLR-SBO之间，幅值和相位的相互关系，并确定了其名义宽度为4°所对应的COU-SBO幅度。

2.2.2 天线对合成原理

对于航道信号，以中心为基准，相距相同距离的每一对天线合成波瓣，经过每一对的叠加后，达到方向性很好的覆盖信号，其中CSB是同幅值同相位合成，航道上有最大值，SBO为同幅值反相位，航道上为零，合成波瓣左右相位相反，达到辨向的目的。对于初相位不同幅值（E0）相同的天线对在远场空间合成波瓣的公式为：

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

（1）

h为天线到中心点距离的电气长度，θ为方位角，往1号天线转，φ为天线初始相位。斜杠后下划线部分为合成波瓣的相位。同幅值同相位合成波瓣2E0cos[hsin（θ）]/φ相位与同幅值反相位2E0cos[hsin（θ）-90°] /φ+90°= 2sin（hsin（θ）） /φ+90°。SBO初相位-90°与+90°保证了合成的波瓣与CSB同相。

2.2.3 信号的数学表达式-信号叠加原理

由表1给出数据，通过远场天线对合成方法，即1号和24号，其幅度和到中心线距离都相同组成一对，2号和23号组成第二对……共12对，根据信号叠加原理，总的合成信号可以通过每一对信号叠加进行计算，其CSB合成信号表达式分别为：

（2）

其中En是对应天线的相对幅度，Dn是天线到中心线的物理距离，乘以2π/λ后转化为电气长度，φn理论上是0°或180°，而实际上由于发射电缆的电气长度不完全相同会有所差异。

2.3 信号合成与分析

对于24单元天线阵，对于单元天线水平辐射方式均为图一所示，而不是简单的全向性。直接将这种分布叠加合成，其场型分布就更为复杂，计算难度也随之提高。

2.3.1 方向图乘积原理

为了解决计算的问题，需要找到一个简便合理的方法，而不直接使用LPDA天线对合成，这里提出一个方案：方向图乘积原理：一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘以子阵为单元天线阵的方向图。即我们可以先使用全向性的24个天线进行叠加，叠加之后的场型再乘以每个天线的LPDA方向图，从而获得最终分布方式。

这是模型计算可行性的理论依据，同时，按照这个原理，还可以直观的比较全方向天线阵的合成场型与LPDA天线阵合成的差异。

2.3.2 覆盖

根据国标规定航向信标台发射水平极化的扇形合成场，其信号覆盖区为：以航向信标天线为基准，在跑道中线延长线±10°以内为25 Nm（46.3 km），在+10°～ +35°以及-10°～ -35°之间为17（Nm）31.5 km，如图3所示。

由上述（2）式的信号叠加，可以得到24个全方向辐射的天线空间信号，通过对实际设备辐射场强的模拟计算，其合成后的辐射分布如图4所示。在航道线上的功率最大，航道CSB约-65 dBm，之后迅速减小，6°以外直接降到-100 dBm以下，此外的信号完全由余隙CSB占主导。对于余隙CSB的分布，除了航道线和±42°的位置有下降外，其它角度上的射频值基本稳定维持在-75到-80 dBm之间。然而由图3的覆盖要求可知，真正需要覆盖的信号区域是在±35°以内，之外的信号是不必要的。

2.3.3 LPDA在覆盖中的作用

为了改变能量的辐射分布，用对数周期偶极子天线来替代全方向天线，其辐射分布计算结果如图5所示。与图4中相比，可以明显看到大角度情况下信号的削弱。尤其是覆盖区以外，±40°之后的信号得到了有效的抑制。大角度信号的衰减都集中到了小角度上，在航道线上，射频达到约-55 dBm，比全向天线高了约10 dB，这就是LPDA的增益。

在实际情况下，飞机不会对航道CSB和余隙CSB分别接收。根据捕获效应，两个频率十分接近的信号同时到达接收机，一个较强，一个较弱，强的信号被解调，弱的信号被抑制。所以最终的覆盖信号由航道和余隙共同组成，小角度由航道CSB主导，大角度由余隙CSB主导。图6给出了全向天线和LPDA的覆盖，以及飞行校验的射频门限（-93 dBm）。

3 结束语

以NORMARC 3525的24单元航向天线阵为研究对象，根据技术手册中公布的辐射分布资料，建立了对数周期偶极子天线（LPDA）的辐射函数。

根据实际设备的信号辐射情况，在远场下，通过天线对合成原理，建立天线阵模型。进行了天线阵的信号覆盖分布的计算。并通过对全向天线和LPDA的辐射分布进行比较，差异化分析。对比表明：

（1）LPDA能够有效抑制大角度辐射信号，避免多径干扰；

（2）大比例的前后幅值能够降低对背面障碍物的净空要求，同时又省去了安装反射网的步骤；

（3）相对于全向天线有9到10dB的增益，使得在航向覆盖的±35°范围内均能得到有效提高，有效避免覆盖不足。

参考文献

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

作者单位

民航华东空管局设备维修中心 上海市 200335