仪表着陆系统培训课件5(天线基本理论)

ILS理论分析ILS设备是简单的，但理论是重要的理论是解决一切问题的基础包括：1、天线基本理论2、调制的数学模型分析3、天线相关问题理论分析二种分析方法：相位矢量分析方法数学模型理论分析方法ILS理论分析ILS设备是简单的，但理论是重要的理论是解决一1天线基本理论天线是ILS系统的核心，天线理论也是ILS理论的核心内容之一！天线基本理论天线是ILS系统的核心，天线理论也是ILS理论的2天线辐射场型的两种表示方式天线辐射场型的两种表示方式3半波对称振子辐射问题－理想阵子半波对称振子辐射问题－理想阵子4辐射的近场与远场的定义下滑天线：按照标准下滑天线－下天线高度＝4.5米，D＝9米，波长＝0.9米R=360米辐射的近场与远场的定义下滑天线：5天线辐射场型的分类天线辐射场型的分类6天线辐射场型中的波瓣分类天线辐射场型中的波瓣分类7天线辐射信号的极化导航设备的极化方式：航向信标：水平下滑信标：水平指点信标：水平或者垂直VOR：水平DME：垂直NDB：垂直VHF电台：垂直天线辐射信号的极化导航设备的极化方式：8矢量相位的定义矢量相位的定义9矢量的合成矢量的合成10天线电流

当信号从天线辐射时，天线就相当于一个电流产生器，如图所示。这时流过天线的电流为：i＝Ｉmsin(ωt＋φ)Ｉ＝Ｉ/φ式中：Ｉ代表天线电流的幅度、/φ代表天线电流的初始相位。在空间任意一点(用Ｐ点表示)，由于天线电流Ｉ/φ的作用，电场和电流同频变化，其在空间的表达式为：Ｅ＝Ｅ/β天线电流当信号从天线辐射时，天线就相当于一个电流产生器，如11两副天线的辐射

Ｘ＝dsinθHＲ1＝Ｒ0－Ｘ＝Ｒ0－dsinθH Ｒ2＝Ｒ0＋Ｘ＝Ｒ0＋dsinθH两副天线的辐射Ｘ＝dsinθH12任意点的两副天线的合成辐射场

辐射场的相对相位

从Ａ1、Ａ2到Ｐ点的信号相位为：β1＝φ1－Ｒ1β2＝φ2－Ｒ2β1＝φ1－(Ｒ0－αsinθH)＝φl＋αsinθH－Ｒ0β2＝φ2－(Ｒ0＋αsinθH)＝φ2－αsinθH－Ｒ0由于这里只考虑相对相位，因此Ｒ0可以省去，即，β1＝φ1＋αsinθH β2＝φ2－αsinθH任意点的两副天线的合成辐射场

辐射场的相对相位从Ａ1、Ａ13合成电场的相对幅度和相位Ｅ1/βl＝Ｉ1/φ1＋αsinθH

Ｅ2/β2＝Ｉ2/φ2－αsinθH

计算Ｐ点的合成场强的公式(2—5)可改写为：Ｅt＝Ｉ1/φ1＋αsinθH＋Ｉ2/φ2－αsinθH

电压的幅度由天线电流幅度决定，每个电压的相对相位是由天线电流相位φ和αsinθH(称为移相因子)决定的。在第I象限内，αsinθH只能从θH＝0°变到θH＝90°，这是因为sin0°＝0，sin90°＝1。用各种不同的数代入上式，就可得到任意点的相对场强。合成电场的相对幅度和相位Ｅ1/βl＝Ｉ1/φ1＋αsi14同相天线阵的辐射场型每副天线相对于中心线的距离均为90°，各馈以电流为1/0°，即相对幅度为1，相对相位为0°的信号。天线间距为180°(α＝90°)时的辐射场型同相天线阵的辐射场型每副天线相对于中心线的距离均为90°，各15相等天线电流和相位、天线阵间距为360°时的辐射场型天线间距为360°(α＝180°)的天线阵及辐射场型相等天线电流和相位、天线阵间距为360°时的辐射场型天线间距16相等天线电流和相位、天线阵间距大于360°时的辐射场型天线间距为1080°(α＝540°)的辐射场型相等天线电流和相位、天线阵间距大于360°时的辐射场型天线间17不同间距的天线阵辐射的场型1、座落在中心基准线两旁有一定间距的两副天线上馈送幅度相等的同相电流时，在中心线上出现最大值。2、每一象限内出现的波瓣数和天线间距的波长数相等(360°为一个波长)。3、同一象限内相邻两个波瓣的相位反相180°。不同间距的天线阵辐射的场型如图不同间距的天线阵辐射的场型1、座落在中心基准线两旁有一定间18相位变化对辐射场型的影响

相位变化后的辐射场型：相位变化会引起波瓣明显移位。相位变化对辐射场型的影响相位变化后的辐射场型：19反相天线阵的辐射场型1、座落在中心基准线两旁有一定间距的天线上馈送幅度相等的反相电流时，中心线上辐射信号为零。2、每一象限内出现的波瓣数和天线间距波长数相等3、跨越中心线时，辐射信号的相位改变180°；同一象限内，相邻两个波瓣的相位也反相180°反相天线阵的辐射场型1、座落在中心基准线两旁有一定间距的天线20不同间距的相等天线电流、相位相反的天线阵的辐射场型示意图不同间距的相等天线电流、相位相反的天线阵的辐射场型示意图21电流变化对辐射场型的影响

如果给天线阵馈以相位相反、但电流幅度不等的信号，结果又将如何？电流变化对辐射场型的影响如果给天线阵馈以相位相反、但电流幅22航向信标天线阵基本天线阵

航向信标天线阵基本天线阵23载波天线对辐射场型当给载波天线对馈以相等电流和相位的信号，即CSB(载波和边带波)信号载波天线对辐射场型当给载波天线对馈以相等电流和相位的信号，24边带天线对辐射场型当给每个边带天线对馈以相等电流但相位相反的信号，即SBO(纯边带波)信号边带天线对辐射场型当给每个边带天线对馈以相等电流但相位相反的25载波和边带合成场型载波和边带合成场型26载波和边带对幅度计算值由于CSB和SBO工作于同一个射频，因此当每副天线的信号辐射后，即形成空间调制，使CSB和SBO中的150Hz和90Hz信号分别相加或相减，得出合成的Ｅ90(空间调制后形成的在中心线一边占优势的电压)和Ｅ150电压。载波和边带对幅度计算值由于CSB和SBO工作于同一个射频，27合成的边带信号辐射场型合成的边带信号辐射场型28基本航向信标天线阵常用的航向信标对数周期天线阵，根据不同生产厂家的配置，由不同单元的天线组成。例如美国WILCOX公司常用的为8和14单元，挪威NORMARC公司使用的有6、12、16、24等单元，意大利THALES(ALCATEL)公司使用的有12、21等单元天线阵等等。基本航向信标天线阵常用的航向信标对数周期天线阵，根据不同生产29对数周期天线对数周期天线30对数周期天线特点对数周期天线特点31对数周期天线结构对数周期天线结构32对数周期偶极子天线

对数周期偶极子天线具有结构简单、频带宽、辐射波束窄、能量集中等特性；而且天线阵向后辐射的能量比向前辐射的能量低28分贝，因此不需配置庞大的反射网。对数周期偶极子天线对数周期偶极子天线具有结构简单、频带宽、336单元航向信标天线阵及其水平面辐射场型

6单元航向信标天线阵及其水平面辐射场型34

6单元天线阵功率分配和相位关系表天线号1#2#3#4#5#6#CSB相对幅度20501001005020CSB相位0°0°0°0°0°0°90HzSB相对幅度8.708.7016.3716.378.708.7090HzSB相位90°90°90°-90°-90°-90°150HzSB相对幅度8.708.7016.3716.378.708.70150HzSB相位-90°-90°-90°90°90°90°6单元天线阵功率分配和相位关系表天线号1#2#3#4#5#356单元天线阵的各天线对的CSB辐射场型6单元天线阵的各天线对的CSB辐射场型36

6单元天线阵的合成CSB辐射场型6单元天线阵的合成CSB辐射场型37

6单元天线阵的各天线对的SBO辐射场型6单元天线阵的各天线对的SBO辐射场型386单元天线阵的合成SBO辐射场型6单元天线阵的合成SBO辐射场型39不同单元航向信标天线阵的CSB和SBO辐射场型比较

天线单元越多，CSB波瓣就越窄；而SBO信号则随信号宽度的变化而变不同单元航向信标天线阵的CSB和SBO辐射场型比较天线单元40航向天线的垂直面特性

航向天线的垂直面特性

41航向信标天线阵的垂直面辐射场型及天线阵的增益

航向信标天线阵的垂直面辐射场型及天线阵的增益42说明由于航向信标垂直面的辐射与下滑信标垂直面的辐射极其相似，因此垂直面的辐射原理将在下滑信标中分析。这里借用公式，并做适当修改，得：Ｅt＝2Ｉsin(ＨsinθV) 式中：Ｈ＝航向信标发射天线的高度、θV＝接收天线与反射地面之间的夹角。式中可见，Ｅ与Ｈ和θV成正比，即当发射天线的高度确定后，接收天线的高度越低、θV就越小，接收信号的相对幅度也越小。在实际使用中，由于飞机进近和着陆时，飞机的高度是沿着下滑信标的下滑道而变的，越接近跑道入口，接收天线高度就越低，因此接收到的相对幅度也越小。说明由于航向信标垂直面的辐射与下滑信标垂直面的辐射极其相似，43具体应用使用不同类型和单元的航向信标天线阵，天线增益也是各不相同的。就对数周期天线阵而言，其合成增益(G)一般由对数周期天线的增益(GLPDA)、天线单元组合的增益(Ga)、地面反射产生的波瓣增益(Globing)三部分组成。例如，一个6单元天线阵的天线辐射体高度为3米、接收天线与反射地面的夹角为3°、对数周期天线的增益(GLPDA)＝10dB，6副天线组合的增益(Ga)＝4.48dB，其合成增益：G＝GLPDA·Ga·Globing＝10logGLPDA＋10logGa＋20logGlobing＝10log10＋10log4.48＋20log0.71＝13.5dB具体应用使用不同类型和单元的航向信标天线阵，天线增益也是各不44航向天线增益的问题Ｅt＝2Ｉsin(ＨsinθV)Ｈ＝航向信标发射天线的高度、θV＝接收天线与反射地面之间的夹角Ｅ与Ｈ和θV成正比，即当发射天线的高度确定后，接收天线的高度越低、θV就越小，接收信号的相对幅度也越小。在实际使用中，由于飞机进近和着陆时，飞机的高度是沿着下滑信标的下滑道而变的，越接近跑道入口，接收天线高度就越低，因此接收到的相对幅度也越小航向天线增益的问题Ｅt＝2Ｉsin(ＨsinθV)45航向天线增益的问题对数周期天线阵，其合成增益(G)一般由对数周期天线的增益(GLPDA)、天线单元组合的增益(Ga)、地面反射产生的波瓣增益(Globing)三部分组成。

G＝GLPDA·Ga·Globing＝10logGLPDA＋10logGa＋20logGlobing适当增加航向天线高度将会提高天线阵的增益，对于一些长跑道机场（特别是高原机场）比较适用。航向天线增益的问题对数周期天线阵，其合成增益(G)一般由对数46第四章下滑信标天线阵

镜像天线的基本原理二次镜像问题第四章下滑信标天线阵镜像天线的基本原理二次镜像问题47带反射器的半波对称振子天线带反射器的半波对称振子天线48带反射器的半波对称振子天线在水平面的相对场强Ｉr＝Ｉr/φrＩi＝Ｉr/φr＋180°式中：Ｉr＝实际天线电流的相对幅度、φr＝实际天线电流的相对相位Ｅr＝Ｉr/φr＋90°cosθH (4—1)Ｅi＝Ｉr/(φr＋180°)－90°cosθH

Ｐ点水平面的场强(ＥH)为2Ｉrsin(90°cosθH)/φr＋90°，其是由在一个单一的虚构等效天线上馈以2倍电流的单一定向天线辐射的，等效天线的位置在实际天线与镜像天线的中间。带反射器的半波对称振子天线在水平面的相对场强Ｉr＝Ｉr/φr49垂直面的相对场强

水平面的等效天线的电流为2Ｉrsin(90°cosθH)/φr＋90°，当天线离地高度为h度时，垂直面上的等效天线和地面下的镜像天线组成的天线对的相对合成场强为：Ｅv＝2[2Ｉrsin(90°cosθH)/φr＋90°]sin(hsinθv)/φr＋90°＝4Ｉrsin(90°cosθH)sin(hsinθv)/φr＋180°从公式中可以看出，场强主要取决于两个因素，sin(90°cosθH)和sin(hsinθv)，而当θH较小时，真正决定垂直面场强最大值和零点的，则是sin(hsinθv)。因此，对于较小角度的θH来说，例如θH＝20°以下，sin(90°cosθH)可从上式中省略，虽然精度略有变化，但影响不大。据此，垂直面上Ｐ点的相对合成场强可简化为：Ｅt＝4Ｉrsin(hsinθv)/φr＋180°

垂直面的相对场强水平面的等效天线的电流为2Ｉrsin(950零基准天线阵

零基准天线阵51不同离地高度天线阵的辐射场型不同离地高度天线阵的辐射场型52CSB天线高度与航向信标天线阵原理一样，零基准天线阵要求CSB信号在下滑道上幅度最大。A0到P点的相位为：Ф1＝Ф0-H×SINθA1到P点的相位为：Ф2＝Ф0＋H×SINθ＋ΨΨ：为A0和A1天线的激励信号相位差A0和A1到P点的相位差为：△Ф＝Ф1－Ф2＝－2H×SINθ－Ψ要求：在θ角上要求辐射量最大－A0和A1同相，△Ф＝0－2H×SINθ－Ψ＝0又因为：下滑天线A0和A1为反相馈电，Ψ＝∏（对应λ/2）2H×SINθ＝Ψ2H×SINθ＝∏2H×SINθ＝λ/2H＝λ/4SINθCSB天线高度与航向信标天线阵原理一样，零基准天线阵要求CS53CSB天线高度例题例如，f＝332.6MHz，则λ＝0.9米，CSB天线高度为：H＝λ/4SINθ用θ代替3°H＝0.9/4SIN3°＝4.5mCSB天线高度例题例如，f＝332.6MHz，则λ＝0.9米54SBO天线高度与CSB信号相反，SBO信号要求在下滑道上场强为零，于是在下天线的两倍高度上再安装一副天线，就能在这个象限中产生20个波瓣，最低两个波瓣间的零点正好在3°上。如果CSB天线高度为4.5米，则SBO天线高度为：H＝2h＝2×4.5＝9米SBO天线高度与CSB信号相反，SBO信号要求在下滑道上场55零基准天线阵特点通常对于零基准天线阵来说，由于边带天线的零点就决定了下滑道的位置，因此地面场地的少量变化对天线阵的高度影响是较小的，因而对下滑角的影响也较小。并当载波中的两个调制频率相等时，通过改变边带天线的电气高度，就可改变下滑角。零基准天线阵特点通常对于零基准天线阵来说，由于边带天线的零点56CSB和SBO天线的实际馈电信号及辐射场型CSB和SBO天线的实际馈电信号及辐射场型57边带信号辐射场型边带信号辐射场型58下滑道的形成