倪育德，王 寧，范 懿

（1.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300；2.中國民用航空局民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300）

儀表著陸系統(tǒng)（ILS，instrument landing system）是目前民用航空重要的精密進近系統(tǒng)。中國民航在其導航技術政策中，將陸基增強系統(tǒng)（GBAS，ground-based augmentation system）指定為新一代的精密進近著陸系統(tǒng)[1]，但要實現(xiàn)GBAS 成為“單一導航”系統(tǒng)的目標還需較長時間。

經典的ILS地面系統(tǒng)主要由航向信標（LOC，localizer）、下滑信標（GS，glide slope）和指點標（MB，marker beacon）3個子系統(tǒng)構成。LOC工作頻段為108.10～119.95 MHz，可為進近的飛機提供水平引導信息。國際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）對LOC水平覆蓋的要求（附件10）[2]為：在前向航道線±10°范圍內為25 NM（1 NM=1.852 km）；在前向航道線10°～35°之間為17 NM；如±35°外的覆蓋，則范圍為10NM。為了實現(xiàn)該覆蓋，LOC一般采用由多個對數(shù)周期偶極子天線（LPDA，logarithmic periodic dipole antenna）構成的陣列天線，而該陣列天線的輻射特性由LPDA的方向性和陣因子共同決定。

目前，系統(tǒng)闡述LOC輻射特性的公開資料大多集中在單頻航向信標，主要分為兩類。一類利用仿真軟件對LPDA建模，從而得到LOC陣列天線輻射特性，但對LPDA電磁輻射特性的研究不夠充分。文獻[3]結合電磁仿真軟件FEKO和地理系統(tǒng)（GIS）對單頻12單元LOC陣列天線進行了三維可視化仿真，卻并未研究陣元LPDA的輻射特性。另一類雖闡述了LPDA的輻射特性，但采用相應的擬合函數(shù)計算LOC的輻射方向性函數(shù)，完全未涉及LPDA結構參數(shù)。文獻[4]分析雙頻20單元LOC的輻射特性，以指數(shù)形式的經驗公式擬合LPDA的方向性函數(shù)，而與LPDA結構參數(shù)完全無關，半功率波瓣寬度（HPBW，half power bandwidth）太窄。文獻[5-7]研究單頻8單元LOC的輻射方向性圖，利用半波偶極子近似LPDA的方向性函數(shù)，只考慮了一個振子工作的理想情況。

綜上，對LOC廣泛使用的LPDA天線利用FEKO設計，然后對雙頻12單元LOC陣列天線進行建模，得到該陣列天線的輻射特性。所闡述的LPDA設計、雙頻LOC陣列天線布設和陣元饋電方式可為ILS的國產化提供一定的參考。

1 雙頻LOC陣列天線的饋電

雙頻LOC輻射2個載波頻率4 種信號，分別為航向載波邊帶信號（COU_CSB）、航向邊帶信號（COU_SBO）、余隙載波邊帶信號（CLR_CSB）及余隙邊帶信號（CLR_SBO）。航向信號的載波頻率高于余隙載波頻率10 kHz，且關于LOC工作頻率對稱。

雙頻LOC的基本結構如圖1所示，其中，A為陣列天線的相位參考點。

圖1 航向信標基本結構Fig.1 Basic structure of LOC

LOC航向發(fā)射機產生兩個調幅信號，即COU_CSB 信號和COU_SBO 信號，表示如下

其中：Ucm為載波信號的幅度；m150=m90=0.2為調制度；為LOC工作角頻率為SBO 信號相對于CSB 信號的幅度。

LOC余隙發(fā)射機產生CLR_CSB與CLR_SBO 兩個余隙信號，表示為

COU_CSB 信號對LOC所有陣元同相饋電，以產生最大值沿著跑道中心線的單瓣方向性圖FCOU_CSB（θ）；COU_SBO 信號對左、右對應陣元反相饋電，以產生0值輻射點指向跑道中心線的兩瓣方向性圖FCOU_SBO（θ）；為了滿足相應覆蓋要求，CLR 對部分陣元饋電[8]提供余隙覆蓋FCLR_CSB（θ）和FCLR_SBO（θ），如圖2所示。

航向信標輻射的CSB 信號和SBO 信號分別為

其中：Ecm為CSB 輻射信號的幅度；θ為偏離跑道中心線的角度。

圖2 CSB 信號和SBO 信號輻射方向性Fig.2 Radiation pattern of CSB and SBO

LOC信標的空間輻射場為

2 LOC陣元結構及電磁特性

目前，LOC使用的陣元大多采用包含7個偶極子的雙層LPDA，如圖3所示。LPDA是一種非頻變天線，頻帶極寬，若天線幾何尺寸按照某一比例因子子變換，則天線的性能在頻率為τf和f 時相同。

圖3 LOC陣元LPDAFig.3 LOCarray element LPDA

LPDA的結構特點主要包括：

1）振子長度、半徑和陣子間的距離等所有幾何尺寸都按同一比例系數(shù)τ 變化，即

2）相鄰振子交叉饋電，饋電點在最短振子處，天線的最大輻射方向為由最長振子端朝向最短振子的一端。

理論和實際都已證實，細對稱振子的電流分布與末端開路線上的電流分布相似，即

其中：Im為電流波腹的復振幅；k=2π/λ為相移常數(shù)；l為振子臂長；|z|為對稱振子到中心的距離。

對數(shù)周期偶極子天線E 面的方向性函數(shù)[9-10]為

其中：Imn為LPDA第n（n=1，2，…，7）個振子的電流振幅；ln為第n個振子的臂長。

FEKO是美國Altair 公司推出的一款針對天線設計、天線布局與電磁兼容性分析的專業(yè)電磁場分析軟件，以矩量法（MOM）為基礎，可得到幾何目標上的電流分布，從而求得其他近遠場信息。

根據(jù)LPDA尺寸和饋線嚴格計算f（θ）的過程十分繁瑣，且電流參數(shù)不易獲得，而FEKO恰好解決了此問題。

3 LOC陣列天線及輻射特性

LOC陣列天線水平輻射特性的實現(xiàn)流程，如圖4所示。

圖4 LOC陣列天線輻射特性實現(xiàn)Fig.4 Implementation of radiation characteristics of LOCarray antenna

根據(jù)LOC陣元的結構參數(shù)，計算每個對稱振子的幾何尺寸，參數(shù)優(yōu)化后生成LOC陣元LPDA并分析LPDA輻射特性；導出LPDA電流數(shù)據(jù)，經過Matlab 數(shù)據(jù)擬合后，得出LPDA電流分布；在陣元LPDA基礎上對雙頻12單元LOC陣列天線建模，饋電后得到4 種輻射信號，經Matlab 數(shù)據(jù)處理，分析雙頻12單元LOC陣列天線的輻射特性。

3.1 LPDA設計及電磁特性

設計由7個對稱振子組成的雙層結構的LPDA，工作頻率110.10 MHz，比例因子τ=0.93，頂角α=10°，長2.8 m，寬1.3 m，振子的長厚比20，增益9.5 dBi，半功率波瓣寬度HPBW=54°（-27°～27°）。根據(jù)以上參數(shù)，利用FEKO對航向天線陣的陣元LPDA進行建模并優(yōu)化，所設計的陣元如圖5所示。

圖5 LPDA模型Fig.5 LPDAmodel

圖5（a）為LPDA雙層結構的FEKO模型，所建天線模型為7個對稱振子組成的雙層結構的LPDA，饋電點在最短振子處，相鄰振子交叉饋電；圖5（b）顯示LPDA尺寸。

圖6為LPDA的電流分布。圖6（a）為FEKO處理得到的LPDA電流分布，可看出，沿短振子到長振子方向，集合線上的電流遞減；圖6（b）為Matlab 調用FEKO的OUT 文件，對LPDA每個對稱振子的電流數(shù)據(jù)進行擬合，結果表明，每個振子的電流均符合正弦分布，且由于振子長度均小于半波長，沒有出現(xiàn)反相電流，此結果也驗證了圖6（a）中電流分布關于振子中心對稱的結論。

圖6 LPDA電流分布Fig.6 LPDAcurrent distribution

LPDA遠場電磁輻射特性如圖7和圖8所示。

圖7 LPDA的3D 輻射方向性Fig.7 3D radiation pattern of LPDA

圖7（a）驗證了LPDA最大輻射方向將由最長振子端朝向最短振子的一端；圖7（b）顯示LPDA水平增益為15 dBi（＞9.5 dBi），符合LOC陣元的增益要求。

圖8（a）為目前廣泛使用的西班牙Indra 公司生產的Normarc 7000B ILS航向信標技術手冊[11]給出的LPDA的水平輻射方向性圖；圖8（b）為FEKO仿真結果，半功率波瓣寬度HPBW≈57°（-28.5°～28.5°），所設計天線基本符合LOC陣元的HPBW 要求。

圖8 LPDA水平輻射方向性Fig.8 LPDAhorizontal radiation pattern

文獻[5-7]利用了不同的經驗公式來擬合LPDA方向函數(shù)，如圖9所示。

圖9（a）為滿足LOC覆蓋要求的LPDA水平方向性圖數(shù)值分布[12]，HPBW=54°（-27°～27°）。圖9（b）為兩種不同的經驗公式擬合出來的LPDA方向性圖。f1采用指數(shù)擬合與LPDA結構參數(shù)完全無關，HPBW=30°（-15°～15°），半功率波瓣寬度太窄。f2為半波振子擬合（f2=cos（kl7·sin θ）-cos（kl7）/cos θ），HPBW=72°（-36°～36°），半功率波瓣寬度太寬，雖與LPDA結構參數(shù)相關，但仿真結果為每個工作頻率只有一個振子在工作的情況，而實際上并不是對應于每個工作頻率只有一個振子在工作，而是存在一個“輻射區(qū)”，這個區(qū)域內的振子長度在λc/2 附近，具有較強的激勵，對輻射將作出主要貢獻。與圖9（a）相比，可發(fā)現(xiàn)圖9（b）兩種擬合結果的吻合度均不高。

圖10為設計的LPDA二維方向性圖，可看出所設計LPDA的HPBW=57°（-28.5°～28.5°）。綜合圖9與圖10，可看出設計的LPDA方向性圖與滿足LOC覆蓋要求的LPDA方向性圖吻合更好。

圖9 LPDA二維方向性Fig.9 2D radiation pattern of LPDA

圖10 設計的LPDA方向性圖Fig.10 Radiation pattern of designed LPDA

3.2 LOC陣列天線的輻射特性

在LOC陣元的基礎上，對雙頻12單元LOC建模，陣元間距2.04 m，模型如圖11所示，其饋電參數(shù)如表1所示。

圖11 雙頻12單元LOC陣列天線模型Fig.11 Dual-fre 12-cell LOCarray antenna model

表1 雙頻12單元LOC饋電參數(shù)Tab.1 Dual-fre 12-cell LOCfeed parameters

按照表1 對圖11所示的陣列天線進行饋電，設定航向信號（COU）的頻率為110.10 MHz ＋5 kHz，余隙信號（CLR）的頻率為110.10 MHz-5 kHz，所得的雙頻12單元LOC陣列天線的輻射方向性圖如圖12和圖13所示。

圖12 雙頻12單元LOC3D 輻射方向性圖Fig.12 Dual-fre 12-cell LOC3D radiation pattern

圖13 雙頻12單元LOC水平方向性圖Fig.13 Dual-fre 12-cell LOCradiation pattern

圖12（a）～圖12（d）分別為雙頻12單元LOC4 種信號的3D 輻射方向性圖，符合“附件10”中雙頻LOC覆蓋特性的要求。

圖13為雙頻12單元LOC水平方向圖，根據(jù)“附件10”對LOC的覆蓋要求，方位角為10°時的COU_CSB信號強度至少比35°時高出13.4 dB，圖13 中航向COU_CSB 信號在10°時的輻射強度比35°時高出約20 dB，符合“附件10”中的要求。

4 結語

通過FEKO設計LOC陣元LPDA及LOC陣列天線，仿真分析LOC陣元的電流分布和電磁輻射特性及雙頻12單元LOC陣列天線的輻射方向性圖。所設計的LPDA模型與實際使用的LOC陣元相符，由此模型建立的雙頻12單元LOC陣列天線，其航向COU_CSB信號在10°時的輻射強度比35°時高出約20 dB（＞13.4 dB），滿足“附件10”中LOC的覆蓋要求。