仪表着陆系统培训课件5(天线基本理论).ppt

1、4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011ILSILS理论分析理论分析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4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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！4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011天线辐射场型的两种表示方式4251 10011 0010 1010 1101

2、0001 0100 1011半波对称振子辐射问题理想阵子4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011辐射的近场与远场的定义下滑天线：下滑天线：按照标准下滑天线下天线高度按照标准下滑天线下天线高度4.54.5米，米，D D9 9米，波长米，波长0.90.9米米R=360R=360米米4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011天线辐射场型的分类 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011天线辐射场型中的波瓣分类 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 10

3、11天线辐射信号的极化 导航设备的极化方式：导航设备的极化方式：航向信标：水平航向信标：水平下滑信标：水平下滑信标：水平指点信标：水平或者垂直指点信标：水平或者垂直VORVOR：水平：水平DMEDME：垂直：垂直NDBNDB：垂直：垂直VHFVHF电台：垂直电台：垂直4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011矢量相位的定义 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011矢量的合成 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011天线电流天线电流 当信号从天线辐射时，天线就相当于一个电流产生器

4、，如图所示。这时流过天线的电流为：im sin(t)/式中：代表天线电流的幅度、/代表天线电流的初始相位。在空间任意一点(用点表示)，由于天线电流/的作用，电场和电流同频变化，其在空间的表达式为：/4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011两副天线的辐射两副天线的辐射 d sinH100d sinH200d sinH 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011任意点的两副天线的合成辐射场任意点的两副天线的合成辐射场 辐射场的相对相位 从1、2到点的信号相位为：111 222 11(0sinH)lsinH0 22(0si

5、nH)2sinH0 由于这里只考虑相对相位，因此0可以省去，即，11sinH 22sinH 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011合成电场的相对幅度和相位 1/l1/1sinH 2/22/2sinH 计算点的合成场强的公式(25)可改写为：t1/1sinH2/2sinH 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和sinH(称为移相因子)决定的。在第I象限内，sinH只能从H0变到H90，这是因为sin00，sin901。用各种不同的数代入上式，就可得到任意点的相对场强。4251 10011 0010 1010 1101 0001

6、 0100 1011同相天线阵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(90)时的辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011相等天线电流和相位、天线阵间相等天线电流和相位、天线阵间距为距为360360时的辐射场型时的辐射场型天线间距为360(180)的天线阵及辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011相等天线电流和相位、天线阵间相等天线电流和相位、天线阵间距大于距大于360360时的辐射场型时的辐射场型

7、天线间距为1080(540)的辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011相位变化对辐射场型的影响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。4251 10011 0010 1

8、010 1101 0001 0100 1011反相天线阵的辐射场型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1804251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011电流变化对辐射场型的影响电流变化对辐射场型的影响 如果给天线阵馈以相位相反

9、、但电流幅度不等的信号，结果又将如何？4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011航向信标天线阵航向信标天线阵 基本天线阵基本天线阵 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011载波和边

10、带合成场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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90(空间调制后形成的在中心线一边占优势的电压)和150电压。4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011合成的边带信号辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011基本航向信标天线阵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

11、，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。4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011对数周期天线4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011对数周期天线特点4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011对数周期天线结构4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011对数周期偶极子天线对数周期偶极子

12、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。4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 10116 6单元航向信标天线阵及其水平面单元航向信标天线阵及其水平面辐射场型辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 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00000090Hz SB相对幅度8.708.7016.3716.378.708.7090H

13、z SB相位909090-90-90-90150Hz SB相对幅度8.708.7016.3716.378.708.70150Hz SB相位-90-90-909090904251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 10116单元天线阵的各天线对的CSB辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 6单元天线阵的合成CSB辐射场型4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 6单元天线阵的各天线对的SBO辐射场型4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 101

14、16单元天线阵的合成SBO辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011不同单元航向信标天线阵的不同单元航向信标天线阵的CSBCSB和和SBOSBO辐射场型比较辐射场型比较 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 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011航向天线的垂直面特性航向天线的垂直面特性22 sinsinEAh0()1022sin3sin32.7220log 0.712.9dBEEdB 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011航向信标天线

15、阵的垂直面辐射场航向信标天线阵的垂直面辐射场型及天线阵的增益型及天线阵的增益 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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：t2sin(sinV)式中：航向信标发射天线的高度、V接收天线与反射地面之间的夹角。式中可见，与和V成正比，即当发射天线的高度确定后，接收天线的高度越低、V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

16、收到的相对幅度也越小。4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011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(G LPDA)、天线单元组合的增益(G a)、地面反射产生的波瓣增益(G lobing)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(G LPDA)10dB，6副天线组合的增益(G a)4.48dB，其合成增益：GG LPDAG aG lobing 10log G LPDA10log G a20log

17、 G lobing 10log 1010log 4.4820log 0.7113.5dB4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011航向天线增益的问题 t2sin(sinV)航向信标发射天线的高度、V接收天线与反射地面之间的夹角 与和V成正比，即当发射天线的高度确定后，接收天线的高度越低、V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 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011航向天线增益的问题

18、 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(G LPDA)、天线单元组合的增益(G a)、地面反射产生的波瓣增益(G lobing)三部分组成。GG LPDAG aG lobing 10log G LPDA10log G a20log G lobing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。4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011第四章第四章 下滑信标天线阵下滑信标天线阵 镜像天线的基本原理镜像天线的基本原理二次镜像二次镜像问题问题4251 10011 0010 1010 1101 0001

19、 0100 1011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4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011带反射器的半波对称振子天线在带反射器的半波对称振子天线在水平面的相对场强水平面的相对场强rr/r ir/r180式中：r实际天线电流的相对幅度、r实际天线电流的相对相位rr/r90 cosH(41)ir/(r180)90 cosH 点水平面的场强(H)为2r sin(90 cosH)/r90，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。4251 10011 0010 1010 11

20、01 0001 0100 1011垂直面的相对场强垂直面的相对场强 水平面的等效天线的电流为2r sin(90cosH)/r90，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：v2 2r sin(90cosH)/r90sin(h sinv)/r904r sin(90cosH)sin(h sinv)/r180从公式中可以看出，场强主要取决于两个因素，sin(90cosH)和sin(h sinv)，而当H较小时，真正决定垂直面场强最大值和零点的，则是sin(h sinv)。因此，对于较小角度的H来说，例如H20以下，sin(90cosH)可从上式中省略，

21、虽然精度略有变化，但影响不大。据此，垂直面上点的相对合成场强可简化为：t4r sin(h sinv)/r180 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011零基准天线阵零基准天线阵 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011不同离地高度天线阵的辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011CSB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：10-HSINA1到P点的相位为：20HSIN：为A0和A1天线的激励信号相位差A0和

22、A1到P点的相位差为：122HSIN要求：在角上要求辐射量最大A0和A1同相，02HSIN0又因为：下滑天线A0和A1为反相馈电，（对应/2）2HSIN2HSIN2HSIN/2H/4 SIN4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011CSB天线高度例题 例如，f332.6MHz，则0.9米，CSB天线高度为：H/4 SIN 用代替3 H0.9/4 SIN 34.5m4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011SBO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

23、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：H2h24.59米4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011零基准天线阵特点 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。4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011CSBCSB和和SBOSBO天线的实际馈电信号及天线的实际馈电信号及辐射场型辐射

24、场型4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011边带信号辐射场型4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011下滑道的形成下滑道的形成90cs 90ss 90150cs 150ss 150 在下滑道下面，150电场占优势；下滑道上面，90电场占优势；而在下滑道上，两个电场相等，4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011下滑线方程：下滑线方程：z=ytg 0 (y 0)4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 10114251 10011 0010 1010

25、1101 0001 0100 10112222220 xyzaac00 tgcaa22222220 0 xyzaaa圆锥面方程变为：圆锥面方程：圆锥面方程：航向面方程为航向面方程为x=d，它与圆锥面相交，得到的交线为：，它与圆锥面相交，得到的交线为：2222201zyddxd 双曲线双曲线4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 10114251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011最后进近段的实际下滑道最后进近段的实际下滑道4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011水平面的辐射场型水平面的辐

26、射场型4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011边带基准天线阵的基本原理边带基准天线阵的基本原理 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011边带基准天线阵的天线高度边带基准天线阵的天线高度 上天线安装在下天线的3倍高度上，这样就可在下天线产生的波瓣内产生三个波瓣。把SBO信号分别馈到上天线和下天线，两个信号幅度相等、但相位相反180，上下天线辐射的SBO信号合成后，在角上互相抵消，形成下滑道。在下滑道上面仍是90Hz占优势，下滑道下面150Hz占优势。4251 10011 0010 1010 1101 0001 010

27、0 1011M M型天线阵的基本原理型天线阵的基本原理4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011CSB4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011SBO4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011余隙4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011捕获效应天线阵的合成辐射场型 4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011三种天线阵的三种天线阵的CSBCSB信号场强比较信号场强比较4251 10011 0010 1010 1101 0001 0100 1011零基准和M型天线阵的下滑道比较