民用航空導(dǎo)航設(shè)備天線系統(tǒng)輻射特性的研究

馬鈺崧 柯昕 牛筠 張秋玥

中國民航大學(xué) 天津 300300

調(diào)研了民航中的導(dǎo)航設(shè)備中所包括的天線類型，如儀表著陸系統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線、多普勒甚高頻全向信標(biāo)的環(huán)形天線、自動(dòng)定向機(jī)的矩形天線、無線電高度表的喇叭天線等。對(duì)于對(duì)數(shù)周期天線、環(huán)形天線、喇叭天線等上述較為簡(jiǎn)單的天線，采用HFSS或FEKO直接仿真的方法，得到了它們的輻射特性；對(duì)于一些較為復(fù)雜的天線系統(tǒng)，如儀表著陸系統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線陣，采用了MATLAB-HFSS協(xié)同仿真的方法得到了其輻射特性。對(duì)于設(shè)計(jì)仿真所得到的結(jié)果，從回波損耗、二維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖、三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖等方面進(jìn)行了分析。

1 天線系統(tǒng)輻射特性的介紹

1.1 儀表著陸系統(tǒng)（ILS）

通常來說，儀表著陸系統(tǒng)所使用的對(duì)數(shù)周期天線（log-periodic dipole antenna）都是七對(duì)偶極子，因此本次設(shè)計(jì)仿真也主要設(shè)計(jì)的是七對(duì)偶極子的對(duì)數(shù)周期天線；而天線陣就是對(duì)數(shù)周期天線按照一定的距離或間隔排列而成的，一般來說，根據(jù)各個(gè)機(jī)場(chǎng)不同的地勢(shì)，可以選擇6、12、24單元的天線陣。為了得到儀表著陸系統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線陣的輻射特性，最終利用MATLAB-HFSS協(xié)同仿真的方法對(duì)多元對(duì)數(shù)周期天線陣進(jìn)行了仿真。

1.1.1單個(gè)對(duì)稱振子天線

對(duì)稱振子是對(duì)數(shù)周期天線的基本組成部分，因此先使用HFSS對(duì)單個(gè)對(duì)稱振子天線進(jìn)行了建模仿真。

圖1 單個(gè)對(duì)稱振子天線的模型及仿真結(jié)果

回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，以對(duì)數(shù)形式來表示，單位是dB，一般是負(fù)值，其絕對(duì)值可以稱為反射損耗，比值越大，天線性能越好。由圖像可知此天線在工作頻率557 MHz處性能最佳，即天線的工作中心頻率約為557 MHz。

從三維及二維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖可看出，天線的副瓣由于地板的設(shè)置被截?cái)?，從而使輻射方向圖只顯示主瓣的增益情況，天線增益最大處位于天線的正前方，即俯仰角θ=0處。

1.1.2單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線

對(duì)數(shù)周期天線（log-periodic dipole antenna）的一般設(shè)計(jì)流程是：找到最佳的間隔因子σ和比例因子τ，再把所要設(shè)計(jì)的天線的最高頻率和最低頻率帶人公式，計(jì)算出天線的夾角、間距和陣子長(zhǎng)度。

對(duì)數(shù)周期天線是將對(duì)稱振子按一定的比例排列在集合線上組成的天線各振子的尺寸和位置與振子的序號(hào)有關(guān)，是按照結(jié)構(gòu)比例因子τ設(shè)計(jì)排列的[2]，有：

其中，P 表示振子的符號(hào)，P=1，2，3．．N-1；

RP是天線的幾何定點(diǎn)O到第P根振子的垂直距離，表示振子在X軸的相對(duì)位置；

LP表示第P根振子的長(zhǎng)度；

dP表示第P和第P+1根振子之間的距離。

除了比例因子τ以外，影響對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)的因素還有另外一個(gè)重要的參數(shù)是間隔因子σ，當(dāng)確定了τ和σ，對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)也就確定了，為了更加方便地描述對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)，再引入一個(gè)參數(shù)——結(jié)構(gòu)角α，α表示所有振子末端到天線的幾何定點(diǎn)o夾角的一半。α和τ、σ的關(guān)系如下：

在確定了天線的幾何結(jié)構(gòu)后，就要確定天線振子的個(gè)數(shù)（對(duì)數(shù)），而天線振子的個(gè)數(shù)（對(duì)數(shù)）可由下式確定：

BS為天線的結(jié)構(gòu)帶寬，結(jié)構(gòu)帶寬定義為天線最長(zhǎng)振子與最短振子的比值：

而在實(shí)際中，天線的實(shí)際工作帶寬B0一般會(huì)比結(jié)構(gòu)帶寬小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：

在仿真時(shí)，取τ=0．93，由于儀表著陸系統(tǒng)所使用的對(duì)數(shù)周期天線都是七對(duì)偶極子，所以取N=7，則可根據(jù)式（1．1．2．1）計(jì)算天線振子的間距及臂長(zhǎng)，天線模型和仿真結(jié)果如下：

圖2 單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線的模型及仿真結(jié)果

由回波損耗圖像可知，此天線在117 MHz～144 MHz頻段內(nèi)性能不佳，而在此頻段范圍外則具有較好的回波損耗，使用者可根據(jù)需求選擇合適的天線工作頻段。

三維方向圖可以由顏色判斷天線增益，越接近紅色表示天線增益越大，反之越接近藍(lán)色增益越小。而天線增益最大的位置在Z軸的負(fù)半軸，即天線在Z軸的負(fù)半軸（即俯仰角θ=180°）方向的方向性最好。

1.1.3多元對(duì)數(shù)周期天線陣

在飛機(jī)的儀表著陸系統(tǒng)中，使用的航向天線系統(tǒng)是對(duì)數(shù)周期天線陣。在建立多元對(duì)數(shù)周期天線陣時(shí)，由于各個(gè)天線參數(shù)相同，逐個(gè)繪制顯得繁瑣，因此采用了MATLAB-HFSS協(xié)同仿真的方法，即在MATLAB中編寫建立模型所需步驟的相應(yīng)程序，再導(dǎo)入HFSS中，進(jìn)行自動(dòng)建模。在使用MATLAB與HFSS進(jìn)行協(xié)同仿真時(shí)，即使需要修改模型的個(gè)別參數(shù)，也不需要在HFSS中對(duì)模型進(jìn)行逐個(gè)修改，可以直接在MATLAB中對(duì)程序進(jìn)行修改，在減少工作量的同時(shí)使得建立模型的過程更加程序化，增強(qiáng)模型的可讀性，并且有利于模型的進(jìn)一步傳播與完善。

不同的天線陣列結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果不同，因此我們分別對(duì)6、12單元的對(duì)數(shù)周期天線陣進(jìn)行了仿真，總結(jié)了其輻射特性，以下為部分仿真結(jié)果。

對(duì)比單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線的回波損耗、二維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖、三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，我們發(fā)現(xiàn)多元對(duì)數(shù)周期天線陣與單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線呈現(xiàn)出相似的頻率特性與輻射特性。頻率特性上都體現(xiàn)出在某頻段內(nèi)性能不佳，在其余頻段內(nèi)表現(xiàn)良好；在輻射特性上都體現(xiàn)出天線陣增益最大的位置在Z軸的負(fù)半軸，即天線在Z軸負(fù)半軸方向（即俯仰角θ=180°）的方向性最好。

1.2 多普勒甚高頻全向信標(biāo)（DVOR）

多普勒甚高頻全向信標(biāo)（DVOR）可以為對(duì)應(yīng)的機(jī)載系統(tǒng)提供輻射場(chǎng)，DVOR的天線系統(tǒng)包括載波天線、邊帶天線和監(jiān)視天線三個(gè)部分。所有邊帶天線和載波天線都為水平放置的埃爾福特天線，埃爾福特天線的實(shí)質(zhì)是矩形天線，屬于環(huán)形天線的一種。

環(huán)形天線是無線電導(dǎo)航的重要天線，一般工作于中、短波的測(cè)向系統(tǒng)中。環(huán)形天線主要包括矩形天線和圓形天線，其中矩形天線在機(jī)載ADF和VOR地面信標(biāo)中獲得了廣泛應(yīng)用。在VOR信標(biāo)中，矩形天線水平放置，水平面為無方向性的，用于輻射水平極化波。

水平極化可由環(huán)形天線實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)單個(gè)DVOR環(huán)形天線和多元DVOR環(huán)形天線陣進(jìn)行了仿真，得到了它們的輻射特性。

1.2.1單個(gè)DVOR環(huán)形天線

圖4 單個(gè)DVOR環(huán)形天線的模型及仿真結(jié)果

結(jié)合二維和三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，可知單個(gè)DVOR天線在水平面上無方向性，在垂直面上輻射特性呈“8”字型（與ADF的環(huán)形天線恰好相反），因此多用于輻射水平極化波。通過回波損耗曲線，可看出其回波損耗的絕對(duì)值隨頻率的增大而單調(diào)遞減，使用者可根據(jù)需求選擇合適的天線工作頻段。

1.2.2 48單元環(huán)形天線陣

在完成了單個(gè)DVOR環(huán)形天線仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了DVOR環(huán)形天線陣的仿真，并對(duì)4，8，24，48單元DVOR環(huán)形天線陣的輻射特性進(jìn)行了對(duì)比，而DVOR環(huán)形天線陣的環(huán)形天線數(shù)目多為48個(gè)，因此在這里主要分析48單元環(huán)形天線陣的輻射特性。

首先確定環(huán)形天線陣的半徑：

取VOR工作頻率范圍的中間值fT=113MHz，則λT=2．65m，mf取其標(biāo)稱值16，則計(jì)算得R=6．75m=6750mm。

圖5 48單元DVOR環(huán)形天線陣的示意圖

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，DVOR邊帶天線在同一時(shí)間并非所有天線同時(shí)在工作，而是一開始1號(hào)天線和25號(hào)天線同時(shí)接通，經(jīng)過1/1440s，2號(hào)天線和26號(hào)天線也同時(shí)接通，表示在同一時(shí)間有一對(duì)天線或相鄰兩對(duì)天線同時(shí)饋電進(jìn)行工作。DVOR四十八天線陣在剛接通的1/1440s內(nèi)為1號(hào)和25號(hào)天線同時(shí)接通，之后都為兩對(duì)天線同時(shí)接通。

因此分別在僅將1號(hào)、25號(hào)天線的輻射場(chǎng)疊加和將1號(hào)、2號(hào)、25號(hào)、26號(hào)天線的輻射場(chǎng)疊加的情況下進(jìn)行了運(yùn)行仿真，得到了如下結(jié)果（圖6）。

圖6 48單元DVOR環(huán)形天線陣1號(hào)、25號(hào)天線（左）及1號(hào)、2號(hào)、25號(hào)、26號(hào)天線（右）輻射場(chǎng)疊加圖

1.3 自動(dòng)定向機(jī)（ADF）

自動(dòng)定向機(jī)（ADF）也稱無線電羅盤，它形成的導(dǎo)航信號(hào)電參數(shù)中包含飛機(jī)的相對(duì)方位角信息，借助于于電磁指示器（RMI）等指示儀表，可為飛機(jī)提供相對(duì)方位角、飛機(jī)航向、飛機(jī)方位角和NDB臺(tái)方位角。

矩形天線：

圖7 ADF矩形天線的模型及仿真結(jié)果

與DVOR的環(huán)形天線類似，ADF也使用了矩形的環(huán)形天線，但是在ADF中，矩形天線垂直放置，其水平面的方向性圖為“8”字型，在垂直面無方向性，用于接收NDB信標(biāo)輻射的垂直極化波。在回波損耗方面也與上節(jié)討論的DVOR環(huán)形天線有著相似的特性，即回波損耗的絕對(duì)值隨頻率的增大而單調(diào)遞減，使用者可根據(jù)需求選擇合適的天線工作頻段。

1.4 無線電高度表（RRA）

無線電高度表是用于測(cè)量飛機(jī)相對(duì)地面的真實(shí)高度或垂直高度的機(jī)載系統(tǒng)，用于民航的無線電高度表屬于低高度無線電高度表（LRRA），主要用于飛機(jī)的進(jìn)近著陸和起飛階段[1]。

由于無線電高度表的天線一般為簡(jiǎn)單的喇叭天線，安裝在機(jī)身下部或水平安定面以下，因此利用FEKO對(duì)簡(jiǎn)單的圓喇叭天線和角錐喇叭天線進(jìn)行了建模仿真，得到了它們的輻射特性。

喇叭天線：

圖8 圓喇叭天線及角錐喇叭天線的模型及仿真結(jié)果

對(duì)比兩種喇叭天線（圓喇叭天線和角錐喇叭天線），發(fā)現(xiàn)它們的輻射特性非常相似：由二維及三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖可看出，兩種喇叭天線在喇叭開口處具有很強(qiáng)的方向性。

2 結(jié)語

通過對(duì)于導(dǎo)航設(shè)備天線系統(tǒng)輻射特性的研究，了解了一些民航常用導(dǎo)航設(shè)備天線系統(tǒng)的輻射特性和輻射場(chǎng)分布，并對(duì)于其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算與分析。對(duì)于儀表著陸系統(tǒng)，進(jìn)行了對(duì)稱振子天線、對(duì)數(shù)周期天線的HFSS仿真，而對(duì)于對(duì)數(shù)周期天線陣，則進(jìn)行了MATLAB-HFSS的協(xié)同仿真；對(duì)于多普勒甚高頻全向信標(biāo)的環(huán)形天線，進(jìn)行了HFSS仿真，對(duì)于其環(huán)形天線陣，則進(jìn)行了MATLAB-HFSS的協(xié)同仿真；對(duì)于自動(dòng)定向機(jī)的矩形天線，進(jìn)行了HFSS仿真；而對(duì)于無線電高度表的喇叭天線，則進(jìn)行了FEKO仿真。