CN110600854B - 一种下滑天线组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种下滑天线组件，包括彼此间隔的发射天线阵和监控天线，所述发射天线阵由下滑铁塔和安装于下滑铁塔上的上天线、中天线和下天线组成，所述上天线、中天线和下天线的高度比为2.7:2.0:1.3。本发明的改良的下滑天线组件对天线组件进行收缩，其上、中、下天线高度比为2.7:2.0:1.3，减小了天线阵孔径，降低了下滑天线阵的总高度并缩小了监测区域，减小安装成本，降低对天线安装、维护、调试等的工作量，进而提高高空作业的效率。

Description

一种下滑天线组件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年6月11日提交的申请号为201910502569.0的中国发明专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入此案。

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种下滑天线组件。

背景技术

导航设备为飞机提供着陆引导信号，在传统的进近方式具有重要地位，进近的方式有目视进近、非精密进近和精密进近，其中，下滑信标可以提供精密进近，对其设备辐射的外场信号质量的要求也十分严格。对于航空事故而言，飞机在起飞和着陆过程的事故率位居榜首，由于下滑信标辐射的空间信号给飞机着陆提供垂直方向的引导信息，故而对下滑天线的结构以及信号分配关系的研究就显得尤为重要。

从天线数目上划分，目前国内民航基本使用镜像下滑天线，通过天线辐射本身的信号，与地面反射后形成180°相位差的信号进行空间合成，得到所需信号。这种下滑天线从数目上分主要有两类，分别是二元天线和三元天线。

其中双天线种类比较多，有零基准天线(上下天线高度比2:1)，边带基准天线(上下天线高度比1.5:0.5)，其中边带天线还有B类边带基准天线和G类边带基准天线两种，G类天线的高度比发生了变化，上下天线高度比为1.4:0.6。零基准天线辐射信号的质量，很大程取决于天线阵前方的反射场地，所以对反射面的范围和平整度要求较高。边带基准相对于零基准天线，具有更低的高度，需要面积更少的平整反射场地，但是平整度要求比零基准更高，二元天线的缺点是天线阵正前方不能有明显的障碍物，抗干扰能力差。

相比于只有单个载波频率的二元天线，三天线在设计上有两个载波频率，通过捕获效应，具有更强的抗干扰能力，目前三元天线只有唯一的一种结构，就是M型下滑天线(上中下天线高度比3:2:1)，其除了CSB和SBO信号外，还增加了余隙CLR信号，用于弥补低角度的覆盖信号，由于CSB，SBO，CLR都是由多个天线信号合成，受场地影响较小，所需的平整场地范围也比零基准小，可用于天线阵前方有障碍物的场地。另一种叫M改型天线，与M型结构完全相同，只是天线辐射的电气参数发射了改变，简化了设备，没有余隙信号，其作用是减小了天线阵前方平整场地的范围。

如图1所示，目前在下滑天线中，M型下滑天线抗干扰能力最强，且对地形平整度的要求最低，所以使用最为广泛，但其不足之处是一方面结构单一(高度比仅3:2:1一种)，不如天线数目较少二元天线(高度比2:1，1.5:0.5，1.4:0.6)。其开发较少，无法满足多元化需求。另一方面是天线阵101的高度高，其下滑铁塔1011上安装的上、下天线1012、1014之间的距离远大于边带基准和零基准天线，这是使得高空作用困难，排线复杂，对于飞行校验时天线调试效率低，后期维护工作量大。上、下天线1012、1014之间的距离约为8.6m，远大于零基准和边带基准下滑天线(4.3m)。天线阵101的高度达13m以上，下滑铁塔上再安置障碍灯，高度可达15m以上，而机场净空规范的高度极限约为16.7m。另外，与下滑天线配套的近场监控天线的安装距离直接关乎安装成本和维护工作量，零基准天线约为61m，边带基准约40m，而现有的M型下滑天线的监控距离(即天线阵101到监控天线102的距离)长达82m，由几何可知，对应的信号反射面也更大，对于实际维护检修测试等都有相对较大的工作量。

发明内容

为了弥补使用最为广泛的M型下滑天线的不足，本发明旨在提供一种改良的下滑天线组件，以减小安装成本，提高效率和抗干扰能力。

为了实现上述目的，本发明提供一种下滑天线组件，包括彼此间隔的发射天线阵和监控天线，所述发射天线阵由下滑铁塔和安装于下滑铁塔上的上天线、中天线和下天线组成，所述上天线、中天线和下天线的高度比为2.7:2.0:1.3。

所述发射天线阵的工作频率f为328.6～335.4MHz。

所述发射天线阵的仰角为3°。

所述上天线、中天线和下天线的高度分别为2.7h、2.0h和1.3h，h为：

h＝c/(4f×sinθ)，

其中，h为上天线、中天线和下天线的高度常数，c为光速，f为发射天线阵的工作频率，θ为发射天线阵的仰角。

所述监控天线与发射天线阵的距离在60m以内。

所述上天线、中天线和下天线均为双频发射天线。

所述发射天线阵采用三种辐射信号，分别为CSB、SBO和CLR信号。

所述上天线、中天线和下天线均与一天线分配单元相连，使得所述CSB、SBO和CLR信号经过所述天线分配单元进行电气配置后，再送到上天线、中天线和下天线发射。

所述中天线只发射CSB和SBO辐射信号，上天线、下天线同时发射CSB、SBO、CLR辐射信号。

所述CSB、SBO和CLR信号按如下相位和幅度关系进行电气配置：

上天线发射的CSB信号含有0°相位且0.21单位幅度的90Hz和150Hz调幅信号，SBO信号含有0°相位且0.085单位幅度的90Hz调幅信号和180°相位且0.085单位幅度的150Hz调幅信号，CLR信号含有0°相位且0.125单位幅度的90Hz调幅信号和0°相位且0.375单位幅度的150Hz调幅信号；

中天线发射的CSB信号含有180°相位且0.88单位幅度的90Hz和150Hz调幅信号，SBO信号含有180°相位且0.16单位幅度的90Hz调幅信号和0°相位且0.16单位幅度的150Hz调幅信号；

下天线发射的CSB信号含有0°相位且1.00单位幅度的90Hz和150Hz调幅信号，SBO信号含有0°相位且0.085单位幅度的90Hz调幅信号和180°相位且0.085单位幅度的150Hz调幅信号，CLR信号含有0°相位且0.125单位幅度的90Hz调幅信号和0°相位且0.375单位幅度的150Hz调幅信号。

本发明的改良的下滑天线组件对天线组件进行收缩，其上、中、下天线高度比为2.7:2.0:1.3，减小了天线阵孔径，降低了下滑天线阵的总高度并缩小了监控距离，减小安装成本，降低对天线安装、维护、调试等的工作量，进而提高高空作业的效率。此外，其电气配置参数也经过了研究，采用了有效的配比，其中CSB信号中增加了上天线的辐射信号，有效优化天线的空间信号分布，使得在低角度时本发明的下滑天线组件受地面处障碍物等物体所造成的信号反射的影响更小，更适用于不规则地形，大幅度增强了抗干扰性能。

附图说明

图1是现有的M型下滑天线组件及监控天线的安装位置的结构示意图，图中指出了改良的设计方向。

图2是本发明的一种改良的下滑天线组件及其监控天线的安装位置的示意图。

图3为本发明的下滑天线组件的天线合成信号在仰角上的辐射特征图。

图4为现有的M型下滑天线的天线合成信号在仰角上的辐射特征图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图2所示为本发明的下滑天线组件，其相对于如图1所示的现有的M型下滑天线结构对天线结构进行收缩，称为S型下滑天线，其包括彼此间隔的发射天线阵1(即下滑信标)和监控天线(NF：near field monitor)2，监控天线2与发射天线阵1的距离在60m以内(约57m)，从而缩减了监控距离，即监控天线2到发射天线阵1的距离，并将其缩减为原来的70％，且由于发射天线阵1的仰角θ(即下滑道)是固定的，因此降低了监控天线2的高度，使得监控天线2的高度小于60sin3°＝3.14m，这样减小了建造成本，降低了维护难度和工作量。

发射天线阵1由下滑铁塔11和安装于下滑铁塔11上的上天线12、中天线13、下天线14组成，上天线12、中天线13和下天线14的高度比为2.7:2.0:1.3，因此，上天线12的高度A3加下天线14的高度A1等于两倍的中天线13的高度A2。所述上天线12、中天线13和下天线14的高度A3、A2、A1分别为2.7h、2.0h和1.3h，h＝c/(4f×sinθ)，其中，h为上天线12、中天线13和下天线14的高度常数，单位为c为光速，c＝3*10⁸m/s，f为发射天线阵1的工作频率，优选为328.6～335.4MHz，θ为发射天线阵1的仰角，其设置为3°。以f＝333.35MHz为例，此时，h约为4.3m。

本发明的下滑天线组件的上天线12、中天线13和下天线14均为双频发射天线。所述发射天线阵1采用三种辐射信号，分别为CSB、SBO和CLR信号。发射天线阵1的上天线12、中天线13和下天线14均与一天线分配单元3相连，使得所述CSB、SBO和CLR信号经过所述天线分配单元3按一定的相位和幅度关系进行电气配置后，再送到上天线12、中天线13和下天线14发射。

如表1所示为所述天线分配单元3的电气配置，即上天线12、中天线13和下天线14所对应的辐射信号的相位和幅度关系。所述相位和幅度关系表示为幅度∠相位。其中信号的幅度和相位都是相对值，其基准值是下天线的CSB信号。

表1下滑天线高度和天线分配单元

对于CSB、SBO、CLR三种辐射信号，均含有90Hz和150Hz两种调幅信号，其幅值都以CSB下天线的信号幅度为基准，对于CSB信号，90Hz和150Hz辐射信号幅度与相位相同，所以不分别列出。

由表1可知，上中下天线中的每一种天线都需要同时发射90和150Hz信号，其中，中天线13只发射CSB和SBO辐射信号，不发射CLR辐射信号，上天线12、下天线14同时发射CSB、SBO、CLR辐射信号。

具体地，上天线12发射的CSB信号含有0°相位且0.21单位幅度的90Hz和150Hz调幅信号，SBO信号含有0°相位且0.085单位幅度的90Hz调幅信号和180°相位且0.085单位幅度的150Hz调幅信号，CLR信号含有0°相位且0.125单位幅度的90Hz调幅信号和0°相位且0.375单位幅度的150Hz调幅信号；

中天线13发射的CSB信号含有180°相位且0.88单位幅度的90Hz和150Hz调幅信号，SBO信号含有180°相位且0.16单位幅度的90Hz调幅信号和0°相位且0.16单位幅度的150Hz调幅信号；

下天线14发射的CSB信号含有0°相位且1.00单位幅度的90Hz和150Hz调幅信号，SBO信号含有0°相位且0.085单位幅度的90Hz调幅信号和180°相位且0.085单位幅度的150Hz调幅信号，CLR信号含有0°相位且0.125单位幅度的90Hz调幅信号和0°相位且0.375单位幅度的150Hz调幅信号。

如表1所述的电气配置是根据下滑天线阵的三个天线的2.7:2.0:1.3的高度比专门设计的，以到达满足设计要求的3°仰角的分布特点。如图3所示为本发明的下滑天线组件的合成信号在仰角上的辐射特征，其中每一种辐射信号的曲线分布都是由上、中、下三个天线的辐射信号在空间的叠加后的结果。相比于如图4所示的现有技术中的M型天线的分布，在低仰角处，如1°位置，本发明的下滑天线的CSB信号(实线)的幅值要比现有的M型天线小很多，这就表征了在低角度时，本发明的下滑天线组件受地面处障碍物等物体所造成的信号反射的影响比现有的M型天线小，抗干扰能力更强；且由于SBO信号在3°位置的值为零，代表了对应的调制度差(ddm，difference in depth modulation)的值为零。

当然，对于上述的2.7:2.0:1.3的高度比，也可以发明其它方式的电气配置(即其他上天线12、中天线13和下天线14所对应的辐射信号的相位和幅度关系)，但最终合成信号的质量(抗干扰能力，ddm曲线的线性度)未必能超过这个配比。

因此，本发明的下滑天线组件，相比于目前用途最广，效果最佳的M型下滑天线，本发明的下滑天线更有以下优势：

1、更小的天线阵孔径

本发明的天线阵孔径，即上天线12的高度A3与下天线14的高度A1的差值为2.7h-1.3h＝1.4h，小于现有技术(2.0h)，下滑天线组件的上、下天线12、14的距离直接关系到高空作业的难度和工作量，由于天线是安装在一个空间为一米多，有些小于一米的下滑铁塔11上，技术员需要钻入下滑铁塔11中，并在上下天线之间来回攀爬，对数十公斤重的天线进行位置移动的作业，在对天线分配单元(ADU)3进行调试时需要在上中下天线之间不断攀爬来接入和断开连接天线的电缆头，经过数次的操作指导ADU的信号调试达标为止。这个距离越短，对于安装，调试，维护的工作量都得到了大幅度的下降。

2、更好的抗干扰性能

表2四种下滑天线的波速弯曲度的比较

本发明的下滑天线组件与传统三种下滑天线的波速弯曲度(BBP)的具体值比较如表2，对于下滑天线，BBP的峰值对应角度越接近下滑道θ，且BBP的峰值越小，则抗干扰性能越好。由表2可知，本发明的下滑天线组件相比于现有的天线，其对地形要求更低，抗干扰能力更强，且ddm曲线的线性度更好，因此无需场型高要求的平整，对建设过程的施工要求降低了，建设成本也就节约了。

3、更低的上天线高度A3

本发明通过将上天线12的高度A3减小为2.7h，使得天线阵总高度降低。天线阵总高度越低，安装越方便，成本也更低，对于调试效率也越高，后期维护也越便捷。另一方面也减小了高度超标(天线阵总高度超过机场规定的净空高度)的隐患。

4、更短的近场监控距离

本发明通过上天线和下天线的相位差360°，在天线阵正前方定义了监控天线的位置，在天线工作频率确定的情况下，由计算可知，本发明的下滑天线组件的监控距离从现有技术中的82m缩短为57m，压缩了布线安装成本，同时设备调试和天线后期维护也更高效。

5、更低的监控天线高度

因为仰角固定设置为3°，所以在天线工作频率确定的情况下，本发明的下滑天线组件的监控距离减小，监控天线2的高度也相应降低，从而使得维护更方便，人为攀爬高监控天线的进行作业的难度也低了。本发明的下滑天线阵通过从天线阵基座为端点的3°仰角找到监控天线的大致高度，通过实测微调监控天线，上下移动找到90Hz信号与150Hz信号的平衡点，即ddm零点所在高度即为监控天线高度。监控高度越低，安装，调试，维护更便捷。

6、更少的平整反射面及更低的平整度要求

对于天线到监控天线之间，根据几何反射，需要一定的反射区域，当监控距离变短后，所需平整的反射区随之减小，这样可以大幅度降低施工成本，另一方面，对于远场区域，也降低了反射面平整度要求，进一步提高了抗干扰性能。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种下滑天线组件，其特征在于，包括彼此间隔的发射天线阵（1）和监控天线（2），所述发射天线阵（1）由下滑铁塔（11）和安装于下滑铁塔（11）上的上天线（12）、中天线（12）和下天线（14）组成，所述上天线（12）、中天线（13）和下天线（14）的高度比为2.7:2.0:1.3；

所述发射天线阵（1）的工作频率f为328.6~335.4 MHz；

所述发射天线阵（1）的仰角为3°；

所述上天线（12）、中天线（12）和下天线（14）的高度分别为2.7h、2.0h和1.3h， h为：

h=c/(4f×sinθ)，

其中，h为上天线（12）、中天线（12）和下天线（14）的高度常数，c为光速， f为发射天线阵（1）的工作频率，θ为发射天线阵（1）的仰角。

2.根据权利要求1所述的下滑天线组件，其特征在于，所述监控天线（2）与发射天线阵（1）的距离在60 m以内。

3.根据权利要求1所述的下滑天线组件，其特征在于，所述上天线（12）、中天线（13）和下天线（14）均为双频发射天线。

4.根据权利要求1所述的下滑天线组件，其特征在于，所述发射天线阵（1）采用三种辐射信号，分别为CSB、SBO和CLR信号。

5.根据权利要求4所述的下滑天线组件，其特征在于，所述上天线（12）、中天线（13）和下天线（14）均与一天线分配单元（3）相连，使得所述CSB、SBO和CLR信号经过所述天线分配单元（3）进行电气配置后，再送到上天线（12）、中天线（13）和下天线（14）发射。

6.根据权利要求5所述的下滑天线组件，其特征在于，所述中天线（13）只发射CSB和SBO辐射信号，上天线（12）、下天线（14）同时发射CSB、SBO、CLR辐射信号。

7.根据权利要求6所述的下滑天线组件，其特征在于，所述CSB、SBO和CLR信号按如下相位和幅度关系进行电气配置：

上天线（12）发射的CSB信号含有0°相位且0.21单位幅度的90 Hz和150 Hz调幅信号，SBO信号含有0°相位且0.085单位幅度的90 Hz调幅信号和180°相位且0.085单位幅度的150Hz调幅信号，CLR信号含有0°相位且0.125单位幅度的90 Hz调幅信号和0°相位且0.375单位幅度的150Hz调幅信号；

中天线（13）发射的CSB信号含有180°相位且0.88单位幅度的90 Hz和150 Hz调幅信号，SBO信号含有180°相位且0.16单位幅度的90 Hz调幅信号和0°相位且0.16单位幅度的150Hz调幅信号；

下天线（14）发射的CSB信号含有0°相位且1.00单位幅度的90 Hz和150 Hz调幅信号，SBO信号含有0°相位且0.085单位幅度的90 Hz调幅信号和180°相位且0.085单位幅度的150Hz调幅信号，CLR信号含有0°相位且0.125单位幅度的90 Hz调幅信号和0°相位且0.375单位幅度的150Hz调幅信号。

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