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1、无方向性信标机及其天线综述研发中心 党立宏摘要机载无线电罗盘是一种M型最小值法测向设备，专门为飞行员提供地面导航台与飞机之间的相对角度，无方向性信标机就是为罗盘提供全向信号的地面导航设备，本文着重叙述了信标机及其天线系统的部分知识，并通过部分实例计算进行阐述。关键词：无线电归航台、信标机、天线、罗盘、极化1 概述无向信标机（NDB）是一种中波导航发射机，向空间全方位发射无线电信号。将其安装在跑道中心延长线时，具有辅助着陆和近程导航的两种功能。如图1所示：图1无线电导航台位置NDB工作在190550KHz频率范围内，发射功率为4001000W，一般的为500W，有效作用距离不小于150Km。不同
2、的导航台识别信号不同，识别信号由2个英文字母组成，用莫尔斯电码以2030个字母/min的速度拍发，通常用等幅报方式发射识别信号，每隔45S连续拍发两边，跟着发30S一长划，供机载ADF识别用。大型的的机场配有双归导航台，近台离跑道头1000m，远台离跑道头4000m，并且机场的双着陆方向的两端都配有导航台，工作频率相同，但是识别码不同，而且不能同时开放。2 天线辐射方向性图和电磁波极化方式为了防止在电波传播过程中出现天波干扰，降低测向精度，选用长中波波段利用地面传播，这样就不易出现天波干扰，因此NDB系统工作频率f=150750KHz（国际民航附件十中规定1501750KHz，这里论述为常用频
3、段）,工作波长=2000400米,/4=500100米。线式天线最佳辐射振子臂长:。在一般情况下这样长的天线很难实现;并且NDB用于辅助着陆时受静空条件限制。通常使用的天线长度，即近台天线12米，远台天线40米。天线的电长度（相对于波长的倍数）值很小。为了防止在夜间电离层较低的情况下出现天线干扰，常选用工作频率f=150300KHz；对于f=300KHz，其电长度。所以NDB天线相对于其工作波长来说是短小天线，这样NDB天线可按基本电振子分析其方向性图和辐射性能（NDB的加顶短小天线垂直辐射体激励电流振幅分布较均匀和电流相位差值不大，它接近于基本电振子轴线各点激励电流等幅同相的情况）。图2是垂
4、直地面基本电振子与导电地面或地网组成的辐射系统及其方向性图。方向性图的最大值指向地平面方向，有利于防止出现天波干扰。IZh接收点X图2-1 垂直平面示意图（测试图）ZX+1-1=90F（）=cos()图2-2 垂直面半“”字形方向性图（子午面或E面）方位角接收点Y图2-3水平面示意图（顶视图）YXF()=1图2-4 水平面全向性方向性图（赤道面或H面）图2基本电振子与导电地面（或地网）辐射系统及其方向性图水平面方向性图为全向性，即垂直向性图为全向性为横半“”字形，当时，；当时，。当时，与零仰角电平相比，信号电平降低35dB左右，然而飞机穿越NDB台天线顶空时距离已经非常近，ADF接收机仍正常工
5、作。如果认为2顶空盲区使接收机不能工作，则在飞机飞行高度H=1000米的情况下，接收机不能工作距离约为21000sin1=34.9米；按飞机飞行速度为40米/秒考虑，只有1.15秒接收机不能工作；而飞机过NDB台时，罗盘指针反打，故飞机穿过NDB台时机上不能观察到接收机，暂停工作。加顶短小天线的辐射功率类同于基本电振子辐射功率，其辐射功率表示为： 式2.1其中,为天线输入电流的有效值且沿振子均匀分布，为辐射电阻,当不考虑导电地面或地网影响时辐射电阻为, 式2.2当考虑导电地面或地网并把其反射波用等效镜像振子时，二者共同等效一个垂直对称基本振子，其总长度为2he，但是镜像振子是无源振子，所以加顶
6、短小天线与导电地面或地网系统辐射电阻为对称基本电振子辐射电阻的一半，即式2.3当时,；当时,。在值很小的情况下，预想提高辐射功率，就必须增大天线电流值。短小天线的辐射电阻很小将会带来很多问题，例如，辐射功率小，天线效率低，工作通频带窄，天线根部高频电压很高易打火等。NDB导航属于长波导航，长波信号适合用地波传播。地波是沿地表面传播的电磁波，地面对它的衰减应很小，但是地面具有导电性，要求沿地面传播的电磁波结构应符合导电地面的边界条件(即电场矢量垂直地面，磁场矢量平行于底面)；地面只允许垂直极化波(电场矢量垂直于地面的电磁波)传播，而水平极化波（电场矢量平行于地面的电磁波）传播时感应出地面电流，很
7、快被地面吸收而衰减掉。所以NDB发射天线辐射体应垂直安装，产生垂直极化波。NDB横向加顶部分应水平安装，水平顶产生的水平极化波衰减很快，对远区场强无影响，故仍能仍能保持电磁波垂直极化性。对于波长为千米级的长波，电离层与地球表面构成的环形空间类似波导，在其空间可以传播长波的高次模场；这种传播着的高次模式电磁波满足导电地面的边界条件（电场矢量垂直地面磁场矢量平行于地面），这种传播着的垂直极化波称为地波。电离层大气层地球表面图3 地波传播的大气层波导特性示意图3 NDB发射天线结构形式和提高垂直辐射体激励电流幅值加顶措施及辐射性能NDB发射天线常用结构形式有对称T形天线和伞形天线，二者都是属于加顶天
8、线。在它们的垂直辐射体顶部加装的横向或斜向的导体成为水平顶部份，也就是加顶发射天线由垂直辐射体和水平顶组成。水平顶的作用是增加垂直辐射体激励电流幅值。这是由于水平顶对地面呈现出分布电容，使水平顶的交变电荷通过对地分布电荷产生位移电流，这种位移电流经过周围空间并经过导电地面或地网在垂直辐射体中产生传导电流顶。若不存在水平顶天线的垂直辐射体激励电流为，则具有水平顶天线垂直辐射体激励总电流矢量。显然在两个电流接近相同的况下，水平顶使垂直辐射体激励电流幅值增大，提高辐射功率。设加载顶部分每个水平臂的特性阻抗为，每个水平臂的输入阻抗可用长线理论的终端开路线的输入阻抗公式近似表示，即 式3.1两个水平臂并
9、联的输入阻抗为， 式3.2bb水平顶臂电流幅值分布顶折算高度b垂直辐射体有顶时电流幅值分布图4 对称T形天线的水平定等效高度折算方法设垂直辐射体的特性阻抗为，则顶部的两个水平臂折算为垂直伸展高度段的输入阻抗为， 式3.3令，即，或，则得到，或 式3.4有顶天线折合高度值为为， 式3.5为了计算加顶短小天线和地网系统的辐射电阻，需要计算其有效高度。加顶短小天线有效高度为， 式3.6其中，为天线高度（含顶折算高度值）为时输入点的电流振幅值，由于短小天线，上式中的，因此上式可以简化为，当天线时，。有顶时电流幅值分布图5天线等效高度计算方法有效高度是把短小天线折算为电流幅值分 布均匀基本电阵子高度。例
10、如，水平臂长b=30米，垂直辐射体高度h=40米，并且具有良好的接地网，以及f=300kHz,=1000米，则，即h高度上电流幅值分布趋于均匀，。如果所用发射机输出功率为，并且产生天线有效值I=10A,则天线辐射功率为,损耗功率为,故天线效率加顶短小天线的输入阻抗可表示为, 式3.7P2P1I顶I顶 图6 对称T形天线水平部分的水平极化分布当时, ,当,为正数，为负数，即为容抗，当，为负数，为正数，即为感抗。顶的水平部分辐射的水平极化波不满足导电地面的一边界条件,容易被地面吸收而很快衰减，故水平极化波的传播不远，不影响远区地波的垂直极化特性。但是需要分析较近区地波的垂直极化特性,在水平顶两臂上
11、取对称的两个线元，并且假设二者间距为l,左右两线元电流流向相反方向,两线元到水平方向P1点射线的场强行程相位差为，当时，故在P1点二者场强接近相反，使场强趋于零。对于中心线上空P2点（可把P2点视为跑道中心延长线上空的某一点，也就是P2点是辅助着陆时飞机经过的点），两线元到P2点的射线行程相位差，故在P2点二者场强反向抵消使合成场强为零，总之，水平顶辐射的水平极化波不会影响系统的正常工作。4总结本文简单介绍了信标机的相关内容，而自动定向系统就是由机载设备ADF和地面设备NDB组成，然后利用无线电技术确定发射和接收无线电波的传播方向，最终在机载显示器显示飞机相对与地面设备的相对方位角度。参考资料：1涡轮发动机飞机机构与系统，郑连兴，兵器工业出版社2自动定向机，郑连兴，国防工业出版社3航空无线电导航原理，陈高平，国防工业出版社4无线电导航原理与系统，黄智刚，北京航空航天大学