仪表着陆系统培训课件5(天线基本理论)
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天线号 CSB相对幅度 CSB相位 90Hz SB相对幅度 90Hz SB相位 150Hz SB相对幅度 150Hz SB相位 1# 20 0° 8.70 90° 8.70 2# 50 0° 8.70 90° 8.70 3# 100 0° 16.37 90° 16.37 4# 100 0° 5# 50 6# 20
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合成电场的相对幅度和相位
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• • • • •
Ｅ1 /β l＝Ｉ1 /φ 1＋α sinθ H Ｅ2 /β 2＝Ｉ2 /φ 2－α sinθ H 计算Ｐ点的合成场强的公式(2—5)可改写为： Ｅt＝Ｉ1 /φ 1＋α sinθ H＋Ｉ2 /φ 2－α sinθ H 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φ 和α sinθ H(称为移相因子)决 定的。在第I象限内，α sinθ H只能从θ H＝0°变到 θ H＝90°，这是因为sin0°＝0，sin90°＝1。用各 种不同的数代入上式，就可得到任意点的相对场强。
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航向天线增益的问题
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• Ｅt＝2Ｉsin(Ｈsinθ V) • Ｈ＝航向信标发射天线的高度、θ V＝接收天 线与反射地面之间的夹角 • Ｅ与Ｈ和θ 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、θ 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
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵的各天线对的SBO辐 射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵的合成SBO辐射场型
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天线辐射信号的极化
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
导航设备的极化方式：
航向信标：水平
下滑信标：水平
指点信标：水平或者垂直 VOR：水平 DME：垂直
NDB：垂直
VHF电台：垂直
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矢量相位的定义
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 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Ｅ90(空间 调制后形成的在中心线一边占优势的电 压)和Ｅ150电压。
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合成的边带信号辐射场型
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 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！
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天线辐射场型的两种表示方式
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半波对称振子辐射问题－理想阵子
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辐射的近场与远场的定义
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边带天线对辐射场型
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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
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载波和边带合成场型
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载波和边带对幅度计算值
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16.37
-90° -90° -90° 16.37 90° 8.70 8.70
-90° -90° -90°
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8.70 90°
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0°
0°
8.70
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90°
6单元天线阵的各天线对的CSB辐 射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵的合成CSB辐射场型
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。
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6单元航向信标天线阵及其水平面 辐射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵功率分配和相位关 系表 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
2 E 2sin 3sin 30 2.72 E( dB ) 20log10 0.71 2.9dB
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航向信标天线阵的垂直面辐射场 型及天线阵的增益 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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说明
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
天线间距为360°(α＝180°)的 天线阵及辐射场型
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相等天线电流和相位、天线阵间 距大于 360 °时的辐射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
天线间距为1080°(α＝ 540°)的辐射场型
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不同间距的天线阵辐射的场型
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具体应用
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 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： • G＝G LPDA·G a·G lobing • ＝10log G LPDA＋10log G a＋20log G lobing • ＝10log 10＋10log 4.48＋20log 0.71＝13.5dB
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基本航向信标天线阵
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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，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。
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矢量的合成
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天线电流
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
当信号从天线辐射时，天线就相当于一个电流产生器，如图所示。这时 流过天线的电流为：i＝Ｉm sin (ωt＋φ) Ｉ＝Ｉ/φ 式中：Ｉ代表天线电流的幅度、/φ代表天线电流的初始相位。 在空间任意一点(用Ｐ点表示)，由于天线电流Ｉ/φ的作用，电场和电流 同频变化，其在空间的表达式为： Ｅ＝Ｅ/β
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同相天线阵的辐射场型
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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°(α＝90°)时 的辐射场型
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相等天线电流和相位、天线阵间 360 0011 0010 1010 距为 1101 0001 0100 °时的辐射场型 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
下滑天线：
按照标准下滑天线－下天线高度＝4.5米，D＝9米，波长＝0.9米
R=360米
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天线辐射场型的分类
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天线辐射场型中的波瓣分类
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如果给天线阵馈以 相位相反、但电流 幅度不等的信号， 结果又将如何？
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航向信标天线阵
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• 基本天线阵
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载波天线对辐射场型
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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
• • • • • • • •
从Ａ1、Ａ2到Ｐ点的信号相位为： β 1＝φ 1－Ｒ1 β 2＝φ 2－Ｒ2 β 1＝φ 1－(Ｒ0－α sinθ H)＝φ l＋α sinθ H－Ｒ0 β 2＝φ 2－(Ｒ0＋α sinθ H)＝φ 2－α sinθ H－Ｒ0 由于这里只考虑相对相位，因此Ｒ0可以省去，即， β 1＝φ 1＋α sinθ H β 2＝φ 2－α sinθ H
• 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： • Ｅt＝2Ｉsin(Ｈsinθ V) • 式中：Ｈ＝航向信标发射天线的高度、θ V＝接收天线 与反射地面之间的夹角。 • 式中可见，Ｅ与Ｈ和θ 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、θ 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。
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两副天线的辐射
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Ｘ＝d sinθH Ｒ1＝Ｒ0－Ｘ＝Ｒ0－d sinθH Ｒ2＝Ｒ0＋Ｘ＝Ｒ0＋d s天线的合成辐射场
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辐射场的相对相位
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180°
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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 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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电流变化对辐射场型的影响
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ILS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： 0011 1 0010 1010 1101 0001 0100 1011 、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
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天线基本理论
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相位变化后的辐 射场型：
相位变化会引起 波瓣明显移位。
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反相天线阵的辐射场型
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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
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
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相位变化对辐射场型的影响
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不同单元航向信标天线阵的CSB和 SBO 辐射场型比较 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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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
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航向天线的垂直面特性
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2 E 2 A sin h sin
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对数周期天线
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对数周期天线特点
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对数周期天线结构
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对数周期偶极子天线
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合成电场的相对幅度和相位
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• • • • •
Ｅ1 /β l＝Ｉ1 /φ 1＋α sinθ H Ｅ2 /β 2＝Ｉ2 /φ 2－α sinθ H 计算Ｐ点的合成场强的公式(2—5)可改写为： Ｅt＝Ｉ1 /φ 1＋α sinθ H＋Ｉ2 /φ 2－α sinθ H 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φ 和α sinθ H(称为移相因子)决 定的。在第I象限内，α sinθ H只能从θ H＝0°变到 θ H＝90°，这是因为sin0°＝0，sin90°＝1。用各 种不同的数代入上式，就可得到任意点的相对场强。
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航向天线增益的问题
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• Ｅt＝2Ｉsin(Ｈsinθ V) • Ｈ＝航向信标发射天线的高度、θ V＝接收天 线与反射地面之间的夹角 • Ｅ与Ｈ和θ 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、θ 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
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6单元天线阵的各天线对的SBO辐 射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵的合成SBO辐射场型
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天线辐射信号的极化
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
导航设备的极化方式：
航向信标：水平
下滑信标：水平
指点信标：水平或者垂直 VOR：水平 DME：垂直
NDB：垂直
VHF电台：垂直
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矢量相位的定义
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 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Ｅ90(空间 调制后形成的在中心线一边占优势的电 压)和Ｅ150电压。
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合成的边带信号辐射场型
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 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！
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天线辐射场型的两种表示方式
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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半波对称振子辐射问题－理想阵子
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辐射的近场与远场的定义
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边带天线对辐射场型
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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
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载波和边带合成场型
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载波和边带对幅度计算值
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16.37
-90° -90° -90° 16.37 90° 8.70 8.70
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0°
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6单元天线阵的各天线对的CSB辐 射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵的合成CSB辐射场型
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。
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6单元航向信标天线阵及其水平面 辐射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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6单元天线阵功率分配和相位关 系表 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
2 E 2sin 3sin 30 2.72 E( dB ) 20log10 0.71 2.9dB
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航向信标天线阵的垂直面辐射场 型及天线阵的增益 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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说明
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天线间距为360°(α＝180°)的 天线阵及辐射场型
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相等天线电流和相位、天线阵间 距大于 360 °时的辐射场型 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
天线间距为1080°(α＝ 540°)的辐射场型
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不同间距的天线阵辐射的场型
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具体应用
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• 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： • G＝G LPDA·G a·G lobing • ＝10log G LPDA＋10log G a＋20log G lobing • ＝10log 10＋10log 4.48＋20log 0.71＝13.5dB
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基本航向信标天线阵
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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，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。
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矢量的合成
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天线电流
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当信号从天线辐射时，天线就相当于一个电流产生器，如图所示。这时 流过天线的电流为：i＝Ｉm sin (ωt＋φ) Ｉ＝Ｉ/φ 式中：Ｉ代表天线电流的幅度、/φ代表天线电流的初始相位。 在空间任意一点(用Ｐ点表示)，由于天线电流Ｉ/φ的作用，电场和电流 同频变化，其在空间的表达式为： Ｅ＝Ｅ/β
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同相天线阵的辐射场型
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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°(α＝90°)时 的辐射场型
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相等天线电流和相位、天线阵间 360 0011 0010 1010 距为 1101 0001 0100 °时的辐射场型 1011
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下滑天线：
按照标准下滑天线－下天线高度＝4.5米，D＝9米，波长＝0.9米
R=360米
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天线辐射场型的分类
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天线辐射场型中的波瓣分类
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如果给天线阵馈以 相位相反、但电流 幅度不等的信号， 结果又将如何？
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航向信标天线阵
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• 基本天线阵
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载波天线对辐射场型
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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
• • • • • • • •
从Ａ1、Ａ2到Ｐ点的信号相位为： β 1＝φ 1－Ｒ1 β 2＝φ 2－Ｒ2 β 1＝φ 1－(Ｒ0－α sinθ H)＝φ l＋α sinθ H－Ｒ0 β 2＝φ 2－(Ｒ0＋α sinθ H)＝φ 2－α sinθ H－Ｒ0 由于这里只考虑相对相位，因此Ｒ0可以省去，即， β 1＝φ 1＋α sinθ H β 2＝φ 2－α sinθ H
• 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： • Ｅt＝2Ｉsin(Ｈsinθ V) • 式中：Ｈ＝航向信标发射天线的高度、θ V＝接收天线 与反射地面之间的夹角。 • 式中可见，Ｅ与Ｈ和θ 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、θ 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。
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两副天线的辐射
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Ｘ＝d sinθH Ｒ1＝Ｒ0－Ｘ＝Ｒ0－d sinθH Ｒ2＝Ｒ0＋Ｘ＝Ｒ0＋d s天线的合成辐射场
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辐射场的相对相位
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180°
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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 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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电流变化对辐射场型的影响
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ILS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： 0011 1 0010 1010 1101 0001 0100 1011 、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
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天线基本理论
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相位变化后的辐 射场型：
相位变化会引起 波瓣明显移位。
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反相天线阵的辐射场型
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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
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
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相位变化对辐射场型的影响
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不同单元航向信标天线阵的CSB和 SBO 辐射场型比较 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
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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
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航向天线的垂直面特性
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2 E 2 A sin h sin
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对数周期天线
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对数周期天线特点
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对数周期天线结构
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对数周期偶极子天线
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