双频 ILS航向信标水平覆盖性能分析

原世杰

摘要：目前，民航几乎依靠仪表着陆系统（ILS）实现精确进近着陆。即使GBAS成为精密进近的“单一导航”系统，可ILS仍作为备用或应急系统存在。本文应用三维电磁仿真软件FEKO，模拟了当前航路信标（locallizer，LOC）中广泛应用的对数周期偶极子天线（LPDA）；然后对双频12/16/24 LOC单元的水平覆盖性能进行了仿真分析，对各参数对LOC水平覆盖性能的影响进行分析。以期为调整LOC的水平覆盖性能提供相应的参考。

关键词：双频航向信标；天线分配单元；阵列天线；对数偶极子天线；水平覆盖性能

传统的ILS地面系统主要由三个子系统组成：航向信标（LOC）、下滑信标（GS）和指点标（MB）。LOC向跑道飞机提供垂直的、包含跑道中心线的航向平面信息，工作频段通常为108.10~119.95mhz。机载系统驱动通道偏差指示器，是通过生成与调制度差成正比信号来实现的，为进近的飞机提供水平制导信息。本文使用三维电磁模拟软件FEKO，模拟了单签LOC中常用的7个对称振荡器构成的双层构造对数周期偶极天线；基于此建模了双频12/16/24单元LOC阵列天线，在给定的馈电下，比较分析了这3种航路信标的水平辐射特性和DDM和SDM的变化状况。

1. 阵列天线参数对航向信标LOC覆盖性能的影响

航向信标（LOC）一般采用由多个对数周期偶极子天线（LPDA）组成的阵列天线，阵列天线的辐射特性由LPDA的方向性和阵列因子决定。对数周期偶极子天线（LPDA）采用三维电磁仿真软件FEKO建模，航向信标LOC阵列天线采用阵列单元设计。阵列因子的影响参数主要包括阵元间距、阵元馈电幅度和馈电相位。阵列天线参数对Loc覆盖性能影响的研究路线如图1所示。其中d=2.04M.

图1阵列天线参数对航向信标（LOC）覆盖性能影响的研究路线

设计了由七个对称振子组成的双层结构，对数周期偶极子天线LPDA的工作频率为110.10mhz，顶角为10°，比例因子为0.93，长为2.8m，宽为1.3m，振子长厚比为20，增益值为9.5dbi，半功率瓣宽度为54°。根据上述参数，应用FEKO对航向天线阵元LPDA进行了建模和优化。使用FEKO模拟的LPDA方向图与满足LOC覆盖要求的LPDA方向性图吻合良好，后续仿真实验基于此基础上。

2. 双频12、16、24单元LOC的覆盖性能

1. 双频12单元LOC的覆盖性能分析

根据设计的LOC阵元，航向信号（cou）和余隙信号（CLR）的载频分别设置为110.10mhz+5KHz和110.10mhz-5KHz。双频12单元LOC阵列天线模型由FEKO软件建立。从双频12个单元LOC的COUCSB、COUSBO、CLRCSB、CLRSBO的4个信号的水平辐射方向来看。COUCSB主瓣的最大值与跑道中心线对齐，COUSBO的第一个零辐射点指向跑道中心线；COU的较窄信号波束，削弱了障碍物对于辐射场的多径影响，而CLR信号的较宽波束增加了覆盖范围。双频段12单元loc的DDM和SDM分布情况，航道扇形角为4.906°，＜6°。DDM在0～0.180范围内随角位移线性增加；DDM=0.180到10°对应的方位角，DDM的最小值为0.2，不小于0.180；当方位角为10°~35°时，DDM的最小值为0.2，大于0.155；对于方位角超过35°的覆盖区域，DDM值大于0.155。总的来说，它符合国际民航组织附件10的要求。

2.双频16单元LOC的覆盖性能分析

根据设计的LOC阵元，设置航向信号为110.10mhz+5KHz频率，余隙信号为110.10mhz-5KHz频率。双频16单元LOC阵列天线及其DDM和SDM的水平辐射性能情况。与双频12单元LOC阵元相比较，主瓣宽度减小，副瓣个数增加，阵列天线的方向性强，可以极大减弱多径干扰的影响；航道扇区角为2.802°，＜6°。当DDM在0～0.180之间，DDM相对于角位移会呈线性增加，但增长斜率会相应增大，角位移敏感性相应增强；从DDM=0.180到10°方位角对应的角度来看，DDM的最小值是0.2，大于0.180；当方位角为10°~35°时，DDM的最小值为0.195，大于0.155；超出方向符合国际民航组织附件10的要求。

3.双频24单元LOC的覆盖性能分析

根据设计的LOC阵元，设置航向信号为110.10mhz+5KHz频率，余隙信号为110.10mhz-5KHz频率。双频24单元LOC阵列天线及其DDM和SDM的水平辐射性能情况。与双频12单元LOC阵元相比较，主瓣宽度进一步减小，副瓣个数增加，阵列天线方向性得到了更大的增强，可以更大程度削弱多径干扰的影响；航道扇区角为2.802°，＜6°。当DDM在0～0.180之间，DDM相对于角位移会呈线性增加，但增长斜率会相应增大，角位移敏感性相应增强；从DDM=0.180到10°方位角对应的角度来看，DDM的最小值是0.2，大于0.180；当方位角为10°~35°时，DDM的最小值为0.198，大于0.155；总的来说，也符合国际民航组织附件10的要求。

综上，双频12/16/24机组LOC水平辐射特性及其DDM和SDM均满足附件10的相应要求；由分析结果得出随着阵元数越多，双频LOC的航道扇形角会相应减小，DDM的角位移灵敏度会增强。可根据机场周围环境和地面布局，选择适当单元数量的双频LOC系统。为了减少多径干扰，障碍物与跑道的夹角越小，需要选择的LOC阵元数会越多，设备成本也会相应增加。

三、结语

本文通过对双频12单元LOC、双频16单元LOC和双频24单元LOC及其DDM和SDM的辐射场模式进行了仿真模拟，并对三种双频LOC的异同进行了比较和分析。在阵列天线参数正常的情况下，所建立的双频LOC模型均满足国际民航组织附件10中航向扇形角和调制系统的要求。因此民航着陆应根据周围环境，可以选择具有适当数量单元的双频LOC系统。

参考文献

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