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[摘 要]机场航向信标天线阵的高低会直接影响到信号覆盖的质量，其结果当然是设备运行受限用。在设备投产使用期时遇到这种情况还是要尽量去想方设法解决，以使航空器在信标覆盖扇区内都能接收到满意工作信号，提高设备的可靠度和保障力。池州九华山机场在南航向信标台投产时就遇到因天线架设高度问题而出现上述的情况。本文将以实际切身体会对上述产生的问题进行简单分析和总结，望大家讨论与学习。
[关键词]对数周期天线、空间合成、航道扇区、通视、垂直面反射
中图分类号：V351 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0169-02
一、ILS航向天线
ILS航向天线是由对数周期偶极子天线阵（即LPD）组成，天线阵是以跑道中心延长线为对称轴横向排列的，相邻单元天线之间的间隔为3λ/4，其天线系统框图如图1所示。（图中P点为空间任意点场强）
航向天线示意图1
对数周期天线的方向特性是相对跑道中心线方位角θ的函数，第n个天线的方向特性用fn（θ）表示，其天线辐射场为：
un（θ）=Umfn（θ）（1+msinΩnt）sinωt
式中m表示90Hz和150Hz调制信号的调幅度（20%）；Ωn为第n个天线调制信号角频率；ω为载波频率。
对在机场跑道中心延长线两侧最近的两个对称的天线单元，由于信号的载波频率是同频同相馈电，这两个波束的辐射场在空间可以直接相加，所以合成的空间辐射场为：
U=u1（θ）+u2（θ）=Um[f1（θ）+f2（θ）]
空间合成信号仍然是一个调幅波。其幅度受两个频率的调制，这两个频率的调制度随θ角的变化方向，一个增大，另一个减小。在任意接收方向上，两个频率的调制深度差DDM为：
DDM=
该公式进一步说明了：当150Hz占优势时，DDM<0；当90Hz占优势时，DDM>0；在下滑道时，二者幅度相等，DDM=0。
二、原因分析
我们知道，解决跑道两边较多障碍物时应该首选宽孔径多单元的天线阵，才能减小跑道两边等障碍物对辐射信号的反射。（当然并不是天线阵数目越多就越好，不仅要‘因地制宜’，同时还要考虑到成本问题，所以够用就行）。从图2中可以看出：天线单元越多，CSB波瓣就越窄，CSB载波相对于中心线的能量就越集中，即天线合成的CSB波瓣就越窄，而SBO信号则随信号宽度的变化而变。
池州九华山机场跑道两侧周围由于存在有一定高度的山丘、树林，为避免航向天线阵辐射信号受其影响，所以为保险起见选择了20单元的天线阵NORMARC 7220。
另外还应优先选择具有双频（含余隙信号）信号的设备。从图3中可以看到：第一，双频的天线阵其航道波束较窄且副波瓣较低，导致在航道的左边一定距离内场强就会随即减弱而在航道的右边也会变弱；第二，双频航向台还辐射一个附加的、具有低辐射功率的尖锐方向信号，即余隙信号。该信号提供给进近的飞机诸如“航道向左或向右”的信息。
以上说明的情况主要是鉴于导航台站四周存在一定高度的障碍物而选择一定单元数目的天线阵。我们在选择航向信标天线阵时，应综合考虑到机场环境及跑道端两侧电磁环境等实际情况，包括跑道的长度、跑道端两侧障碍物的净空等因素，以便合理地选择天线阵数目，这是其一。
绝大多数航向信标天线阵安装在跑道中心线延长线、距跑道末端200～300米的位置（当然也可以偏置跑道中心线一侧安装）。在确定台址、天线阵位置以及近场情况时，应同时考虑天线阵的高度。
我们知道，航向信标天线阵将来自航道、余隙CSB、SBO信号按规定的幅度和相位进行分配，以不同的幅度和相位关系反馈给每个天线单元，通过电磁信号的辐射，在空间产生调制合成波信号，形成航道扇区。也就是在天线阵辐射范围内，空间任意一点的信号场强是所有天线对辐射信号之和。
然而航向信标天线阵也有垂直面反射，其垂直面反射就是影响航向波瓣的仰角，这是我们选择航向天线阵高度的一大依据。如图4所示。
从图4中可知，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。
在这里，我们还要了解下什么是通视。通视，就是在架设天线阵时，应能保证天线辐射单元与跑道着陆端的入口处高度保持视线相通。
三、解决办法
综上所述，当出现信号覆盖不够时，我们可以通过以下方法：
方法一：增大信号强度。如果情况不是太糟糕，稍微增大载波CSB辐射功率可以满足要求。但是如果覆盖距离远远达不到要求，此时我们就不能一味地增大CSB功率。
方法二：增加天线的高度。我们来看图5。
由图5我们知道，当天线高度为h时，以θ为反射角，在空间某点处的辐射场强为P；当天线高度上升到Δh+h时，相应地其辐射场强为P。也就是说，当我们要求在空间一定角度和高度范围位置时，接收到的信号场强与天线架设的高度有对应关系。由于天线高度越矮，其产生的波瓣仰角相应地就越高，那么最大值点也就越高，而我们的校验程序是在一定高度飞行的，因此就容易造成信号强度不够，就会出现限用的现象。
ICAO附件10中有这样的说明：在规定的距离内，在跑道头标高以上600米（2000英尺）高度，或在中间和最后进场区内最高点的标高以上300米（1000英尺）（以较高者为准），必须能接收到航向信标的信号。在规定距离内，向上直到从航向信标天线向外伸延并与地面成7°夹角的平面，必须能接收到航向信标信号。如图6所示。
我们还可以用下面公式推算出天线在不同高度时产生的不同场强E。
式中：H=航向信标天线的高度 ；θ=接收天线与反射地面之间的夹角；
A为天线电流；E为天线某点处的场强。
从上式中看到，E与H和θ成正比，即当发射天线的高度确定后，接收天线的高度越低、θ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。
四、结束语
池州九华山机场跑道2400米，主降和次降均建有ILS设备。实际情况是在航向台近场到天线阵之间，跑道面标高比天线阵基础面标高低了近2米，导致在天线阵处看不到跑道入口，从而导致在校飞时出现信号覆盖距离不够问题。ICAO附件10中的3.1.3.3.1对航向信标做出如下覆盖要求：安装的航向信标应提供足以使飞机在航向信标和下滑信标的覆盖扇区内收到满意工作的信号。
航向信标的覆盖如图7所示。
除此之外，在那些受地形限制或工作要求允许的地方当有其他导航设备在中间进场区能提供满意的覆盖时，在±10度扇区内的覆盖区可降低到33.5km（18.5海里），覆盖区的其余部分可减到18.5公里（10海里）。
综合所述，厂家建议增加一个额外的桅杆，高度为2m，总的天线高度4.5米。这将会增加信号强度（视线）。
参考文献
[1] 《仪表着陆系统原理》.金辽著.2006年3月。
[2] 《ILS–LOC411-Technical Manual Description， Operating， Maintenance》。
[3]《ICAO ANNEX10》国际民用航空公约附件10。
[关键词]对数周期天线、空间合成、航道扇区、通视、垂直面反射
中图分类号：V351 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0169-02
一、ILS航向天线
ILS航向天线是由对数周期偶极子天线阵（即LPD）组成，天线阵是以跑道中心延长线为对称轴横向排列的，相邻单元天线之间的间隔为3λ/4，其天线系统框图如图1所示。（图中P点为空间任意点场强）
航向天线示意图1
对数周期天线的方向特性是相对跑道中心线方位角θ的函数，第n个天线的方向特性用fn（θ）表示，其天线辐射场为：
un（θ）=Umfn（θ）（1+msinΩnt）sinωt
式中m表示90Hz和150Hz调制信号的调幅度（20%）；Ωn为第n个天线调制信号角频率；ω为载波频率。
对在机场跑道中心延长线两侧最近的两个对称的天线单元，由于信号的载波频率是同频同相馈电，这两个波束的辐射场在空间可以直接相加，所以合成的空间辐射场为：
U=u1（θ）+u2（θ）=Um[f1（θ）+f2（θ）]
空间合成信号仍然是一个调幅波。其幅度受两个频率的调制，这两个频率的调制度随θ角的变化方向，一个增大，另一个减小。在任意接收方向上，两个频率的调制深度差DDM为：
DDM=
该公式进一步说明了：当150Hz占优势时，DDM<0；当90Hz占优势时，DDM>0；在下滑道时，二者幅度相等，DDM=0。
二、原因分析
我们知道，解决跑道两边较多障碍物时应该首选宽孔径多单元的天线阵，才能减小跑道两边等障碍物对辐射信号的反射。（当然并不是天线阵数目越多就越好，不仅要‘因地制宜’，同时还要考虑到成本问题，所以够用就行）。从图2中可以看出：天线单元越多，CSB波瓣就越窄，CSB载波相对于中心线的能量就越集中，即天线合成的CSB波瓣就越窄，而SBO信号则随信号宽度的变化而变。
池州九华山机场跑道两侧周围由于存在有一定高度的山丘、树林，为避免航向天线阵辐射信号受其影响，所以为保险起见选择了20单元的天线阵NORMARC 7220。
另外还应优先选择具有双频（含余隙信号）信号的设备。从图3中可以看到：第一，双频的天线阵其航道波束较窄且副波瓣较低，导致在航道的左边一定距离内场强就会随即减弱而在航道的右边也会变弱；第二，双频航向台还辐射一个附加的、具有低辐射功率的尖锐方向信号，即余隙信号。该信号提供给进近的飞机诸如“航道向左或向右”的信息。
以上说明的情况主要是鉴于导航台站四周存在一定高度的障碍物而选择一定单元数目的天线阵。我们在选择航向信标天线阵时，应综合考虑到机场环境及跑道端两侧电磁环境等实际情况，包括跑道的长度、跑道端两侧障碍物的净空等因素，以便合理地选择天线阵数目，这是其一。
绝大多数航向信标天线阵安装在跑道中心线延长线、距跑道末端200～300米的位置（当然也可以偏置跑道中心线一侧安装）。在确定台址、天线阵位置以及近场情况时，应同时考虑天线阵的高度。
我们知道，航向信标天线阵将来自航道、余隙CSB、SBO信号按规定的幅度和相位进行分配，以不同的幅度和相位关系反馈给每个天线单元，通过电磁信号的辐射，在空间产生调制合成波信号，形成航道扇区。也就是在天线阵辐射范围内，空间任意一点的信号场强是所有天线对辐射信号之和。
然而航向信标天线阵也有垂直面反射，其垂直面反射就是影响航向波瓣的仰角，这是我们选择航向天线阵高度的一大依据。如图4所示。
从图4中可知，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。
在这里，我们还要了解下什么是通视。通视，就是在架设天线阵时，应能保证天线辐射单元与跑道着陆端的入口处高度保持视线相通。
三、解决办法
综上所述，当出现信号覆盖不够时，我们可以通过以下方法：
方法一：增大信号强度。如果情况不是太糟糕，稍微增大载波CSB辐射功率可以满足要求。但是如果覆盖距离远远达不到要求，此时我们就不能一味地增大CSB功率。
方法二：增加天线的高度。我们来看图5。
由图5我们知道，当天线高度为h时，以θ为反射角，在空间某点处的辐射场强为P；当天线高度上升到Δh+h时，相应地其辐射场强为P。也就是说，当我们要求在空间一定角度和高度范围位置时，接收到的信号场强与天线架设的高度有对应关系。由于天线高度越矮，其产生的波瓣仰角相应地就越高，那么最大值点也就越高，而我们的校验程序是在一定高度飞行的，因此就容易造成信号强度不够，就会出现限用的现象。
ICAO附件10中有这样的说明：在规定的距离内，在跑道头标高以上600米（2000英尺）高度，或在中间和最后进场区内最高点的标高以上300米（1000英尺）（以较高者为准），必须能接收到航向信标的信号。在规定距离内，向上直到从航向信标天线向外伸延并与地面成7°夹角的平面，必须能接收到航向信标信号。如图6所示。
我们还可以用下面公式推算出天线在不同高度时产生的不同场强E。
式中：H=航向信标天线的高度 ；θ=接收天线与反射地面之间的夹角；
A为天线电流；E为天线某点处的场强。
从上式中看到，E与H和θ成正比，即当发射天线的高度确定后，接收天线的高度越低、θ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。
四、结束语
池州九华山机场跑道2400米，主降和次降均建有ILS设备。实际情况是在航向台近场到天线阵之间，跑道面标高比天线阵基础面标高低了近2米，导致在天线阵处看不到跑道入口，从而导致在校飞时出现信号覆盖距离不够问题。ICAO附件10中的3.1.3.3.1对航向信标做出如下覆盖要求：安装的航向信标应提供足以使飞机在航向信标和下滑信标的覆盖扇区内收到满意工作的信号。
航向信标的覆盖如图7所示。
除此之外，在那些受地形限制或工作要求允许的地方当有其他导航设备在中间进场区能提供满意的覆盖时，在±10度扇区内的覆盖区可降低到33.5km（18.5海里），覆盖区的其余部分可减到18.5公里（10海里）。
综合所述，厂家建议增加一个额外的桅杆，高度为2m，总的天线高度4.5米。这将会增加信号强度（视线）。
参考文献
[1] 《仪表着陆系统原理》.金辽著.2006年3月。
[2] 《ILS–LOC411-Technical Manual Description， Operating， Maintenance》。
[3]《ICAO ANNEX10》国际民用航空公约附件10。