民用航空导航设备天线系统辐射特性的研究
马钰崧 柯昕 牛筠 张秋玥
中国民航大学 天津 300300
[摘 要] 天线系统是民用航空导航系统的基本组成之一。天线所辐射和接收的电磁波“看不见，摸不着”，因此很难对其辐射特性进行可视化的了解与认识。为深入掌握和了解天线系统的辐射场分布，利用HFSS等电磁仿真软件对几种常用的民用航空导航设备的天线系统进行了仿真，得到了如仪表着陆系统（ILS）、多普勒甚高频全向信标（DVOR）、自动定向机（ADF）、无线电高度表（LRRA）的天线系统的二维和三维辐射特性方向图、回波损耗等其他相关参数。
[关键词] HFSS；仪表着陆系统；多普勒甚高频全向信标；自动定向机；无线电高度表
调研了民航中的导航设备中所包括的天线类型，如仪表着陆系统的对数周期天线、多普勒甚高频全向信标的环形天线、自动定向机的矩形天线、无线电高度表的喇叭天线等。对于对数周期天线、环形天线、喇叭天线等上述较为简单的天线，采用HFSS或FEKO直接仿真的方法，得到了它们的辐射特性；对于一些较为复杂的天线系统，如仪表着陆系统的对数周期天线阵，采用了MATLAB-HFSS协同仿真的方法得到了其辐射特性。对于设计仿真所得到的结果，从回波损耗、二维远场辐射图、三维远场辐射图等方面进行了分析。
1 天线系统辐射特性的介绍
1.1 仪表着陆系统（ILS）
通常来说，仪表着陆系统所使用的对数周期天线（log-periodic dipole antenna）都是七对偶极子，因此本次设计仿真也主要设计的是七对偶极子的对数周期天线；而天线阵就是对数周期天线按照一定的距离或间隔排列而成的，一般来说，根据各个机场不同的地势，可以选择6、12、24单元的天线阵。为了得到仪表着陆系统的对数周期天线阵的辐射特性，最终利用MATLAB-HFSS协同仿真的方法对多元对数周期天线阵进行了仿真。
P2主要与注意资源的分配及对刺激的加工分析有关[13]。本研究发现，在由新异刺激诱发的P2波幅上，术后化疗前组低于化疗组和健康对照组，说明该组患者对分心刺激的抑制不够，从而可能减少对靶刺激的注意资源的投入。
他只好尽力摆出极其威风的样子，握紧猎刀，狠命地盯着那头熊。它笨拙地向前挪了两步，站直了，发出试探性的咆哮。
1.1.1单个对称振子天线
对称振子是对数周期天线的基本组成部分，因此先使用HFSS对单个对称振子天线进行了建模仿真。
图1 单个对称振子天线的模型及仿真结果
在确定了天线的几何结构后，就要确定天线振子的个数（对数），而天线振子的个数（对数）可由下式确定：
从三维及二维远场辐射图可看出，天线的副瓣由于地板的设置被截断，从而使辐射方向图只显示主瓣的增益情况，天线增益最大处位于天线的正前方，即俯仰角θ=0处。
1.1.2单个对数周期天线
对数周期天线（log-periodic dipole antenna）的一般设计流程是：找到最佳的间隔因子σ和比例因子τ，再把所要设计的天线的最高频率和最低频率带人公式，计算出天线的夹角、间距和阵子长度。
对数周期天线是将对称振子按一定的比例排列在集合线上组成的天线各振子的尺寸和位置与振子的序号有关，是按照结构比例因子τ设计排列的[2]，有：
其中，P 表示振子的符号，P=1，2，3．．N-1；
RP是天线的几何定点O到第P根振子的垂直距离，表示振子在X轴的相对位置；
在仿真时，取τ=0．93，由于仪表着陆系统所使用的对数周期天线都是七对偶极子，所以取N=7，则可根据式（1．1．2．1）计算天线振子的间距及臂长，天线模型和仿真结果如下：
LP表示第P根振子的长度；
于造模后第7、10、14、21、28天时按AI评分标准[7]评价各组大鼠的关节炎严重程度：关节无红肿计0分，趾关节红肿计1分，趾关节和足跖肿胀计2分，踝关节以下的足爪肿胀计3分，踝关节在内的全部足爪肿胀计4分。每个关节最高得分为4分，4个关节得分之和即为每只大鼠的AI。
dP表示第P和第P+1根振子之间的距离。
除了比例因子τ以外，影响对数周期天线结构的因素还有另外一个重要的参数是间隔因子σ，当确定了τ和σ，对数周期天线的结构也就确定了，为了更加方便地描述对数周期天线的结构，再引入一个参数——结构角α，α表示所有振子末端到天线的几何定点o夹角的一半。α和τ、σ的关系如下：
回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式来表示，单位是dB，一般是负值，其绝对值可以称为反射损耗，比值越大，天线性能越好。由图像可知此天线在工作频率557 MHz处性能最佳，即天线的工作中心频率约为557 MHz。
1.2.2 48单元环形天线阵
不同的天线阵列结构对应的仿真结果不同，因此我们分别对6、12单元的对数周期天线阵进行了仿真，总结了其辐射特性，以下为部分仿真结果。
而在实际中，天线的实际工作带宽B0一般会比结构带宽小，根据经验：
“枪刀不见铁，杀人不见血。棒打不见疼，伤寒不发热。毒口不见蛇，蜇尾不见蝎。苦痛不闻声，分离不见别。世上若无此等人，官府衙门不用设。”
图2 单个对数周期天线的模型及仿真结果
由回波损耗图像可知，此天线在117 MHz～144 MHz频段内性能不佳，而在此频段范围外则具有较好的回波损耗，使用者可根据需求选择合适的天线工作频段。
美国的基础研究投入量居世界第一，从基础研究体系构成来看，美国的大学和联邦实验室为主要的研究主体，其次为产业和非营利机构。从经费的投入角度来看，2017财年，联邦R&D经费投入增至1 183亿美元，较2016财年的1 150亿美元增长了2.8%；其中基础研究经费保持稳定，为323亿美元，应用研究经费下降至342亿美元，降幅为0.8%[14]。据《中国统计年鉴2017》显示，在我国2016年的R&D投入中，基础研究为822.9亿元，应用研究为1 610.5亿元。总体来看，与美国相比，我国在基础研发经费的投入占比上有较大差距。
三维方向图可以由颜色判断天线增益，越接近红色表示天线增益越大，反之越接近蓝色增益越小。而天线增益最大的位置在Z轴的负半轴，即天线在Z轴的负半轴（即俯仰角θ=180°）方向的方向性最好。
在飞机的仪表着陆系统中，使用的航向天线系统是对数周期天线阵。在建立多元对数周期天线阵时，由于各个天线参数相同，逐个绘制显得繁琐，因此采用了MATLAB-HFSS协同仿真的方法，即在MATLAB中编写建立模型所需步骤的相应程序，再导入HFSS中，进行自动建模。在使用MATLAB与HFSS进行协同仿真时，即使需要修改模型的个别参数，也不需要在HFSS中对模型进行逐个修改，可以直接在MATLAB中对程序进行修改，在减少工作量的同时使得建立模型的过程更加程序化，增强模型的可读性，并且有利于模型的进一步传播与完善。
1.1.3多元对数周期天线阵
BS为天线的结构带宽，结构带宽定义为天线最长振子与最短振子的比值：
对比单个对数周期天线的回波损耗、二维远场辐射图、三维远场辐射图，我们发现多元对数周期天线阵与单个对数周期天线呈现出相似的频率特性与辐射特性。频率特性上都体现出在某频段内性能不佳，在其余频段内表现良好；在辐射特性上都体现出天线阵增益最大的位置在Z轴的负半轴，即天线在Z轴负半轴方向（即俯仰角θ=180°）的方向性最好。
现代化高效的交通管理，亟需打破部门数据孤岛，整合交通大数据，综合制定智能化交通解决方案，建设统一的跨部门、跨系统的交通大数据共享平台，实现数据共享与交换，并对数据进行深度挖掘分析，拓展交通应用，唯有这样才能发挥出通州作为城市副中心的作用，真正实现中心区与副中心的资源共享.
1.2 多普勒甚高频全向信标（DVOR）
多普勒甚高频全向信标（DVOR）可以为对应的机载系统提供辐射场，DVOR的天线系统包括载波天线、边带天线和监视天线三个部分。所有边带天线和载波天线都为水平放置的埃尔福特天线，埃尔福特天线的实质是矩形天线，属于环形天线的一种。
环形天线是无线电导航的重要天线，一般工作于中、短波的测向系统中。环形天线主要包括矩形天线和圆形天线，其中矩形天线在机载ADF和VOR地面信标中获得了广泛应用。在VOR信标中，矩形天线水平放置，水平面为无方向性的，用于辐射水平极化波。
水平极化可由环形天线实现，因此对单个DVOR环形天线和多元DVOR环形天线阵进行了仿真，得到了它们的辐射特性。
1.2.1单个DVOR环形天线
图4 单个DVOR环形天线的模型及仿真结果
结合二维和三维远场辐射图，可知单个DVOR天线在水平面上无方向性，在垂直面上辐射特性呈“8”字型（与ADF的环形天线恰好相反），因此多用于辐射水平极化波。通过回波损耗曲线，可看出其回波损耗的绝对值随频率的增大而单调递减，使用者可根据需求选择合适的天线工作频段。
特色产业集群具有文化和资源的地域根植性，是一个地方内生形成的生产聚集，具有较强的生命力。因此，返乡农民工创业集群的建构要基于地方特色产业，加强与科研机构、高校、企业等其他主体的协同发展。首先，针对返乡创业农民工群体，政府应鼓励支持返乡创业群体和企业建设农业产业技术创新战略联盟，引导返乡创业群体资金向地方特色资源合理投向，带动和支持返乡创业群体依托地方性特色产业的产业链创业发展。其次，特色产业集群的演化需要返乡农民工的深度挖掘，整合政府、企业、社会等多方资源，如结合地方特色产业引入新的技术和资源，创新组织形式，完善交易制度等措施。
3.营养因子缺乏。仔猪缺乏维生素(如叶酸、烟酸、泛酸)、矿物质或其它必需的营养物质(如微量元素锌、硒、铁、铜)，导致抵抗力降低而出现下痢。病仔猪排淡黄色、白色、灰绿色糨糊状或水样恶臭稀粪。
在完成了单个DVOR环形天线仿真的基础上，进行了DVOR环形天线阵的仿真，并对4，8，24，48单元DVOR环形天线阵的辐射特性进行了对比，而DVOR环形天线阵的环形天线数目多为48个，因此在这里主要分析48单元环形天线阵的辐射特性。
首先确定环形天线阵的半径：
城市林业的建设对大家工作和生活环境的改善有着很重要的作用，一座健康向上的发展中城市最不能忽视的就是城市林业的建设。如果忽视城市林业的建设，城市就会变得单调无趣，一栋栋高楼大厦组成的城市会大大降低视觉效果，导致大部分人产生烦躁的心情。城市林业建设中的花草树木能为人们遮挡阳光，阻挡风沙，不仅达到降温作用，还可以缓解温室效应。
取VOR工作频率范围的中间值fT=113MHz，则λT=2．65m，mf取其标称值16，则计算得R=6．75m=6750mm。
(2)学生明确测试的自变量(测试桥的结构)，控制无关变量(桥的长度、跨度)，掌握科学的实验方法，对实验过程作好记录。
图3 六单元（左）及十二单元（右）对数周期天线阵的模型及仿真结果
图5 48单元DVOR环形天线阵的示意图
实际应用时，DVOR边带天线在同一时间并非所有天线同时在工作，而是一开始1号天线和25号天线同时接通，经过1/1440s，2号天线和26号天线也同时接通，表示在同一时间有一对天线或相邻两对天线同时馈电进行工作。DVOR四十八天线阵在刚接通的1/1440s内为1号和25号天线同时接通，之后都为两对天线同时接通。
转眼一个月的期限过去了，郭启明心急如焚。关云飞也着急了，追问郭启明：“房子还能不能买？要不就把酒店退掉，再把孩子打掉，再作考虑吧？”郭启明急得成了热锅上的蚂蚁！因为信用卡的还款日期迫在眉睫，而更为紧迫的是，关小美生孩子的日期也日渐逼近……
因此分别在仅将1号、25号天线的辐射场叠加和将1号、2号、25号、26号天线的辐射场叠加的情况下进行了运行仿真，得到了如下结果（图6）。
图6 48单元DVOR环形天线阵1号、25号天线（左）及1号、2号、25号、26号天线（右）辐射场叠加图
1.3 自动定向机（ADF）
自动定向机（ADF）也称无线电罗盘，它形成的导航信号电参数中包含飞机的相对方位角信息，借助于于电磁指示器（RMI）等指示仪表，可为飞机提供相对方位角、飞机航向、飞机方位角和NDB台方位角。
矩形天线：
图7 ADF矩形天线的模型及仿真结果
与DVOR的环形天线类似，ADF也使用了矩形的环形天线，但是在ADF中，矩形天线垂直放置，其水平面的方向性图为“8”字型，在垂直面无方向性，用于接收NDB信标辐射的垂直极化波。在回波损耗方面也与上节讨论的DVOR环形天线有着相似的特性，即回波损耗的绝对值随频率的增大而单调递减，使用者可根据需求选择合适的天线工作频段。
1.4 无线电高度表（RRA）
无线电高度表是用于测量飞机相对地面的真实高度或垂直高度的机载系统，用于民航的无线电高度表属于低高度无线电高度表（LRRA），主要用于飞机的进近着陆和起飞阶段[1]。
由于无线电高度表的天线一般为简单的喇叭天线，安装在机身下部或水平安定面以下，因此利用FEKO对简单的圆喇叭天线和角锥喇叭天线进行了建模仿真，得到了它们的辐射特性。
喇叭天线：
图8 圆喇叭天线及角锥喇叭天线的模型及仿真结果
对比两种喇叭天线（圆喇叭天线和角锥喇叭天线），发现它们的辐射特性非常相似：由二维及三维远场辐射图可看出，两种喇叭天线在喇叭开口处具有很强的方向性。
2 结语
通过对于导航设备天线系统辐射特性的研究，了解了一些民航常用导航设备天线系统的辐射特性和辐射场分布，并对于其相关参数进行了进一步的计算与分析。对于仪表着陆系统，进行了对称振子天线、对数周期天线的HFSS仿真，而对于对数周期天线阵，则进行了MATLAB-HFSS的协同仿真；对于多普勒甚高频全向信标的环形天线，进行了HFSS仿真，对于其环形天线阵，则进行了MATLAB-HFSS的协同仿真；对于自动定向机的矩形天线，进行了HFSS仿真；而对于无线电高度表的喇叭天线，则进行了FEKO仿真。
参考文献：
[1]倪育德.导航原理与系统[M].北京:清华大学出版社,2015.
[2]王君.机载高增益宽带小型化双对数周期天线的研究[D].西安：西安电子科技大学,2006:1-3.
[3]吴丽华,蒿培培.基于滚球法的航向天线阵防雷评估与实例分析[J].现代导航,2016,7(2):146-151.
[中图分类号] F416.5
[文献标识码] A
基金项目：
本文系中国民航大学“大学生创新创业训练计划项目”成果（项目编号：IECAUC2018065）
标签：HFSS论文; 仪表着陆系统论文; 多普勒甚高频全向信标论文; 自动定向机论文; 无线电高度表论文; 中国民航大学论文;