双频航向信标水平辐射特性的实现

倪育德，王 宁，范 懿

（1.中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300；2.中国民用航空局民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300）

仪表着陆系统（ILS，instrument landing system）是目前民用航空重要的精密进近系统。中国民航在其导航技术政策中，将陆基增强系统（GBAS，ground-based augmentation system）指定为新一代的精密进近着陆系统[1]，但要实现GBAS 成为“单一导航”系统的目标还需较长时间。

经典的ILS地面系统主要由航向信标（LOC，localizer）、下滑信标（GS，glide slope）和指点标（MB，marker beacon）3个子系统构成。LOC工作频段为108.10～119.95 MHz，可为进近的飞机提供水平引导信息。国际民航组织（ICAO，International Civil Aviation Organization）对LOC水平覆盖的要求（附件10）[2]为：在前向航道线±10°范围内为25 NM（1 NM=1.852 km）；在前向航道线10°～35°之间为17 NM；如±35°外的覆盖，则范围为10NM。为了实现该覆盖，LOC一般采用由多个对数周期偶极子天线（LPDA，logarithmic periodic dipole antenna）构成的阵列天线，而该阵列天线的辐射特性由LPDA的方向性和阵因子共同决定。

目前，系统阐述LOC辐射特性的公开资料大多集中在单频航向信标，主要分为两类。一类利用仿真软件对LPDA建模，从而得到LOC阵列天线辐射特性，但对LPDA电磁辐射特性的研究不够充分。文献[3]结合电磁仿真软件FEKO和地理系统（GIS）对单频12单元LOC阵列天线进行了三维可视化仿真，却并未研究阵元LPDA的辐射特性。另一类虽阐述了LPDA的辐射特性，但采用相应的拟合函数计算LOC的辐射方向性函数，完全未涉及LPDA结构参数。文献[4]分析双频20单元LOC的辐射特性，以指数形式的经验公式拟合LPDA的方向性函数，而与LPDA结构参数完全无关，半功率波瓣宽度（HPBW，half power bandwidth）太窄。文献[5-7]研究单频8单元LOC的辐射方向性图，利用半波偶极子近似LPDA的方向性函数，只考虑了一个振子工作的理想情况。

综上，对LOC广泛使用的LPDA天线利用FEKO设计，然后对双频12单元LOC阵列天线进行建模，得到该阵列天线的辐射特性。所阐述的LPDA设计、双频LOC阵列天线布设和阵元馈电方式可为ILS的国产化提供一定的参考。

1 双频LOC阵列天线的馈电

双频LOC辐射2个载波频率4 种信号，分别为航向载波边带信号（COU_CSB）、航向边带信号（COU_SBO）、余隙载波边带信号（CLR_CSB）及余隙边带信号（CLR_SBO）。航向信号的载波频率高于余隙载波频率10 kHz，且关于LOC工作频率对称。

双频LOC的基本结构如图1所示，其中，A为阵列天线的相位参考点。

图1 航向信标基本结构Fig.1 Basic structure of LOC

LOC航向发射机产生两个调幅信号，即COU_CSB 信号和COU_SBO 信号，表示如下

其中：Ucm为载波信号的幅度；m150=m90=0.2为调制度；为LOC工作角频率为SBO 信号相对于CSB 信号的幅度。

LOC余隙发射机产生CLR_CSB与CLR_SBO 两个余隙信号，表示为

COU_CSB 信号对LOC所有阵元同相馈电，以产生最大值沿着跑道中心线的单瓣方向性图FCOU_CSB（θ）；COU_SBO 信号对左、右对应阵元反相馈电，以产生0值辐射点指向跑道中心线的两瓣方向性图FCOU_SBO（θ）；为了满足相应覆盖要求，CLR 对部分阵元馈电[8]提供余隙覆盖FCLR_CSB（θ）和FCLR_SBO（θ），如图2所示。

航向信标辐射的CSB 信号和SBO 信号分别为

其中：Ecm为CSB 辐射信号的幅度；θ为偏离跑道中心线的角度。

图2 CSB 信号和SBO 信号辐射方向性Fig.2 Radiation pattern of CSB and SBO

LOC信标的空间辐射场为

2 LOC阵元结构及电磁特性

目前，LOC使用的阵元大多采用包含7个偶极子的双层LPDA，如图3所示。LPDA是一种非频变天线，频带极宽，若天线几何尺寸按照某一比例因子子变换，则天线的性能在频率为τf和f 时相同。

图3 LOC阵元LPDAFig.3 LOCarray element LPDA

LPDA的结构特点主要包括：

1）振子长度、半径和阵子间的距离等所有几何尺寸都按同一比例系数τ 变化，即

2）相邻振子交叉馈电，馈电点在最短振子处，天线的最大辐射方向为由最长振子端朝向最短振子的一端。

理论和实际都已证实，细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即

其中：Im为电流波腹的复振幅；k=2π/λ为相移常数；l为振子臂长；|z|为对称振子到中心的距离。

对数周期偶极子天线E 面的方向性函数[9-10]为

其中：Imn为LPDA第n（n=1，2，…，7）个振子的电流振幅；ln为第n个振子的臂长。

FEKO是美国Altair 公司推出的一款针对天线设计、天线布局与电磁兼容性分析的专业电磁场分析软件，以矩量法（MOM）为基础，可得到几何目标上的电流分布，从而求得其他近远场信息。

根据LPDA尺寸和馈线严格计算f（θ）的过程十分繁琐，且电流参数不易获得，而FEKO恰好解决了此问题。

3 LOC阵列天线及辐射特性

LOC阵列天线水平辐射特性的实现流程，如图4所示。

图4 LOC阵列天线辐射特性实现Fig.4 Implementation of radiation characteristics of LOCarray antenna

根据LOC阵元的结构参数，计算每个对称振子的几何尺寸，参数优化后生成LOC阵元LPDA并分析LPDA辐射特性；导出LPDA电流数据，经过Matlab 数据拟合后，得出LPDA电流分布；在阵元LPDA基础上对双频12单元LOC阵列天线建模，馈电后得到4 种辐射信号，经Matlab 数据处理，分析双频12单元LOC阵列天线的辐射特性。

3.1 LPDA设计及电磁特性

设计由7个对称振子组成的双层结构的LPDA，工作频率110.10 MHz，比例因子τ=0.93，顶角α=10°，长2.8 m，宽1.3 m，振子的长厚比20，增益9.5 dBi，半功率波瓣宽度HPBW=54°（-27°～27°）。根据以上参数，利用FEKO对航向天线阵的阵元LPDA进行建模并优化，所设计的阵元如图5所示。

图5 LPDA模型Fig.5 LPDAmodel

图5（a）为LPDA双层结构的FEKO模型，所建天线模型为7个对称振子组成的双层结构的LPDA，馈电点在最短振子处，相邻振子交叉馈电；图5（b）显示LPDA尺寸。

图6为LPDA的电流分布。图6（a）为FEKO处理得到的LPDA电流分布，可看出，沿短振子到长振子方向，集合线上的电流递减；图6（b）为Matlab 调用FEKO的OUT 文件，对LPDA每个对称振子的电流数据进行拟合，结果表明，每个振子的电流均符合正弦分布，且由于振子长度均小于半波长，没有出现反相电流，此结果也验证了图6（a）中电流分布关于振子中心对称的结论。

图6 LPDA电流分布Fig.6 LPDAcurrent distribution

LPDA远场电磁辐射特性如图7和图8所示。

图7 LPDA的3D 辐射方向性Fig.7 3D radiation pattern of LPDA

图7（a）验证了LPDA最大辐射方向将由最长振子端朝向最短振子的一端；图7（b）显示LPDA水平增益为15 dBi（＞9.5 dBi），符合LOC阵元的增益要求。

图8（a）为目前广泛使用的西班牙Indra 公司生产的Normarc 7000B ILS航向信标技术手册[11]给出的LPDA的水平辐射方向性图；图8（b）为FEKO仿真结果，半功率波瓣宽度HPBW≈57°（-28.5°～28.5°），所设计天线基本符合LOC阵元的HPBW 要求。

图8 LPDA水平辐射方向性Fig.8 LPDAhorizontal radiation pattern

文献[5-7]利用了不同的经验公式来拟合LPDA方向函数，如图9所示。

图9（a）为满足LOC覆盖要求的LPDA水平方向性图数值分布[12]，HPBW=54°（-27°～27°）。图9（b）为两种不同的经验公式拟合出来的LPDA方向性图。f1采用指数拟合与LPDA结构参数完全无关，HPBW=30°（-15°～15°），半功率波瓣宽度太窄。f2为半波振子拟合（f2=cos（kl7·sin θ）-cos（kl7）/cos θ），HPBW=72°（-36°～36°），半功率波瓣宽度太宽，虽与LPDA结构参数相关，但仿真结果为每个工作频率只有一个振子在工作的情况，而实际上并不是对应于每个工作频率只有一个振子在工作，而是存在一个“辐射区”，这个区域内的振子长度在λc/2 附近，具有较强的激励，对辐射将作出主要贡献。与图9（a）相比，可发现图9（b）两种拟合结果的吻合度均不高。

图10为设计的LPDA二维方向性图，可看出所设计LPDA的HPBW=57°（-28.5°～28.5°）。综合图9与图10，可看出设计的LPDA方向性图与满足LOC覆盖要求的LPDA方向性图吻合更好。

图9 LPDA二维方向性Fig.9 2D radiation pattern of LPDA

图10 设计的LPDA方向性图Fig.10 Radiation pattern of designed LPDA

3.2 LOC阵列天线的辐射特性

在LOC阵元的基础上，对双频12单元LOC建模，阵元间距2.04 m，模型如图11所示，其馈电参数如表1所示。

图11 双频12单元LOC阵列天线模型Fig.11 Dual-fre 12-cell LOCarray antenna model

表1 双频12单元LOC馈电参数Tab.1 Dual-fre 12-cell LOCfeed parameters

按照表1 对图11所示的阵列天线进行馈电，设定航向信号（COU）的频率为110.10 MHz ＋5 kHz，余隙信号（CLR）的频率为110.10 MHz-5 kHz，所得的双频12单元LOC阵列天线的辐射方向性图如图12和图13所示。

图12 双频12单元LOC3D 辐射方向性图Fig.12 Dual-fre 12-cell LOC3D radiation pattern

图13 双频12单元LOC水平方向性图Fig.13 Dual-fre 12-cell LOCradiation pattern

图12（a）～图12（d）分别为双频12单元LOC4 种信号的3D 辐射方向性图，符合“附件10”中双频LOC覆盖特性的要求。

图13为双频12单元LOC水平方向图，根据“附件10”对LOC的覆盖要求，方位角为10°时的COU_CSB信号强度至少比35°时高出13.4 dB，图13 中航向COU_CSB 信号在10°时的辐射强度比35°时高出约20 dB，符合“附件10”中的要求。

4 结语

通过FEKO设计LOC阵元LPDA及LOC阵列天线，仿真分析LOC阵元的电流分布和电磁辐射特性及双频12单元LOC阵列天线的辐射方向性图。所设计的LPDA模型与实际使用的LOC阵元相符，由此模型建立的双频12单元LOC阵列天线，其航向COU_CSB信号在10°时的辐射强度比35°时高出约20 dB（＞13.4 dB），满足“附件10”中LOC的覆盖要求。