谈航向天线阵信号的相位关系及其应用

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1、谈航向天线阵信号的相位关系及其应用　　【摘要】本文从天线辐射原理阐述了航向天线阵辐射信号（CSB/SBO）的相位关系，及该特殊的相位关系在实际设备维护调试中的应用　　【关键词】空间调制二元点阵航道结构　　　　仪表着陆系统(InstrumentlandingSystem)简称ILS，一般称之为盲降，从它的称呼可以理解ILS在仪表导航中的重要作用。ILS由航向（LOC）和下滑（GS）设备组成，分别向带有ILS接收设备的飞机提供偏离下滑道左右和上下的信号指示。航向与下滑设备的基本原理相同，本文对航向天线的论述方法同样可以适用于下滑天线系统。希望以下的讨论可以为大家正确理解ILS设备的工作原理提供

2、帮助。　　　航向天线阵将机房送来的RF信号CSB和SBO进行幅度与相位的分配，以不同的幅度和相位关系馈给每个天线单元，通过电磁信号的辐射，在空间产生调制合成，形成航道扇区。对单频航向而言，每个天线单元都包括了相应幅度与相位的CSB和SBO信号。这些信号之间的相位幅度关系直接影响了扇区的线性和航道的位置。下面对这些信号的相位关系及空间信号的合成进行进一步的讨论。　　航向天线阵最基本的组成是每一对与中心线等距的天线单元。为了说明空间合成信号的方向性图。这里引入了天线理论中二元点阵概念。如图1，两个距中心为d的天线单元1和2，辐射信号为E0，在远场某处P，单元1和2的场强差异可以忽略，但由于路径

3、的差而导致一个相位差。由于是在远场，单元1、2至P点的路径可以认为是平行的，由此得出相位差θ=2π*2dsinφ/λ=2kdsinφ单位为弧度，其中k=2π/λ。　　总接收信号是两个信号的矢量和。如图2　　　　则合成信号幅度　　E=2E0COSθ/2　　=2E0COS（kdSinφ）　　=2E0COS(2πdSinφ/λ)　　从表达可以看出在2πdSinφ/λ=nπ(n=0,±1,±2，±3…)时,E为最大值，　　同理φ=arcsin(nλ/2d)时，E为最小值，n为奇数，可以得到如图3的天线方向图。　　对于两个反相的天线单元，合成E＝2E0sin(2πdSinφ/λ)　　在φ=arcsi

4、n(nλ/2d)时E为最小值　　　　　在实际的航向天线中，天线单元为对数周期天线，有很强的方向性，如图5，设其信号场强为Ee，根据天线理论则两个同相对数周期天线单元的合成信号E=Ee*E　　其方向如图6两个反相天线的合成方向如图7　　如果是由多对天线组成的天线阵，则最后合成的总信号为E=E1+E2+E3…为各对天线合成信号的叠加。　　如果以MK10单频普通孔径天线阵的第一对天线为例，其第一对天线距中心为0.82m，设其工作频率为110MHz，则由λ=c/f=2.727m　　根据公式φ=arcsin(nλ/2d)n=0时，φ=0，CSB信号有第1个最大值，SBO信号有第1个最小值　　n

5、=1时，φ=58.9°，CSB信号有第2个最大值，SBO信号有第2个最小值　　n=2时，φ=73.3°，CSB信号有第3个最大值，SBO信号有第3个最小值　　根据公式φ=arcsin(nλ/4d)　　n=0时，φ=39.7°,CSB信号有第1个最小值，SBO信号有第1个最大值　　n=3时，φ=68.2°，CSB信号有第2个最小值，SBO信号有第2个最大值　　需要说明的是，在实际的情况中，由于对数周期天线的方向性很强，不存在那么多的最大值和最小值。　　　所以，在正常的航向设备中，左右天线单元中的CSB信号正是采用了同相馈电使跑道中心线上信号幅度达到最大值。而左右SBO信号采用反相馈电，在中心

6、线上信号幅度得到最小值为0，如图8所示。因此在理想的情况下，跑道中心线上的DDM为0。在航向设备的调试中，需要修剪每对天线馈线的长度，使中心线DDM为0，其实就是调整左右天线SBO的馈电相位，使之在中心线上左右天线的SBO信号刚好反相，得到SBO的幅度最小值0，DDM也为0。　　　　上面讨论了一对天线中左右天线的CSB信号之间以及左右天线的SBO信号之间的相位关系。在实际的情况下，空间某一处的DDM，与该点CSB与SBO之间的相位关系有着相应的关系。根据空间调制的理论，图11CSB与SBO正交时，空间调制为0，同相或反相时产生最大调制，空间调制表达式m=Asbo/Acsb*cosΦ，其中A

7、为幅度，Φ为CSB与SBO相差。为了简化，我们只讨论一对天线的情况，假设左天线信号为CSB1和SBO1，并且假设SBO1落后CSB1为90度，根据前面的结论，右天线的信号为CSB2和SBO2，CSB2与CSB1同相，SBO2与SBO1反相，其矢量图如图9。在空间任一点，左右天线信号以任一相位差合成，由图10可见，只要每个天线单元中CSB与CSB正交就可以使合成信号CSB与SBO同相合成，产生最大的空间调制。航向天线阵正是