中波導(dǎo)航臺鐵塔對天線性能影響分析

楊法紅 金 音 李 夢

（92524部隊 寧波 315020）

1 引言

中波導(dǎo)航臺是發(fā)射垂直極化波的無方向性發(fā)射臺，與機(jī)載無線電羅盤配合工作，組成中波導(dǎo)航系統(tǒng)，主要用于測量飛機(jī)縱軸方向到地面導(dǎo)航臺的相對方位角，引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行、歸航和進(jìn)場著陸。由于機(jī)場中波導(dǎo)航臺位于跑道中線延長線上，天線和地網(wǎng)占地面積較大，早期建設(shè)的臺站特別是遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺，天線鐵塔和拉錨用地大多不是臺站保護(hù)用地，隨著城市的發(fā)展，臺站周圍的民用設(shè)施建設(shè)已經(jīng)嚴(yán)重違反國軍標(biāo)關(guān)于臺站電磁環(huán)境保護(hù)的相關(guān)規(guī)定［1］，影響臺站戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的正常發(fā)揮［2］，給天線和地網(wǎng)維護(hù)保養(yǎng)也帶來了很大的困難，甚至有的中波導(dǎo)航臺鐵塔和地錨已完全被民房包圍，長期無法進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，存在很大的安全隱患。采用自立鐵塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉線塔的方案可以減少占用地方用地范圍［3］，一定程度上緩解與地方建設(shè)發(fā)展的矛盾，便于后期維護(hù)保養(yǎng)。

論文以某機(jī)場中波導(dǎo)航臺天線鐵塔擬改造方案為例進(jìn)行仿真和分析。某機(jī)場由于附近道路和建筑擴(kuò)建等原因，需要對現(xiàn)有鐵塔及部分地網(wǎng)進(jìn)行改造，擬拆除現(xiàn)有拉線鐵塔，在原址新建自立鐵塔，同時部分地網(wǎng)由于受新建鐵塔和地面廠房影響需重新敷設(shè)［4］，為評估新建鐵塔對其裝載的天線工作性能的影響，需在前期進(jìn)行仿真計算和分析，避免因鐵塔改建而導(dǎo)致天線工作性能下降，影響飛行安全。

2 現(xiàn)有拉線鐵塔結(jié)構(gòu)

某機(jī)場現(xiàn)有中波導(dǎo)航臺天線為常用的T型天線，如圖1所示。每個鐵塔由鐵塔支架及斜拉索組成，鐵塔支架由三個豎直鋼結(jié)構(gòu)形成，兩兩鋼結(jié)構(gòu)支架相距0.6m組成等邊三角形，在支架頂部與底部分別將支架用條形鋼連接起來。天線鐵塔高50m，鐵塔間距54m，每個鐵塔設(shè)四層三向共12根拉線，每根拉線以6m為一段，用蛋型隔電子連接，直至地錨。天線工作頻段為100kHz～1000kHz，增益大于0 dBi，功率容量大于2 kW，極化方式為垂直極化，水平面方向圖為全向，天線阻抗為50Ω，天線絕緣電阻大于500MΩ，水平方向不均勻度 ≤0.1dB。要求T型天線夏季中心點下垂不大于80cm。

圖1 現(xiàn)有拉線塔結(jié)構(gòu)示意圖

中波導(dǎo)航臺地網(wǎng)布局如圖2（a）所示。地網(wǎng)以Φ500銅盤為中心點，向外輻射36根長度30m的Φ4硬銅線，硬銅線末端用銅釘加以固定，硬銅線與銅盤、銅釘連接處采用銅焊焊接，所有地網(wǎng)材料買埋入地面下約80mm處，要求地阻不大于1 Ω。

圖2 改建后地網(wǎng)鋪設(shè)示意圖

3 擬建自立鐵塔結(jié)構(gòu)

擬新建自立鐵塔結(jié)構(gòu)如圖3所示。該鐵塔采用四柱角鋼塔結(jié)構(gòu)［5～6］，采用樁基礎(chǔ)，設(shè)計基礎(chǔ)根開為4.6m，兩鐵塔中心點間距由原來的54m擴(kuò)大為63m，鐵塔高度為50m。設(shè)計基本風(fēng)壓為0.65kN/m2，設(shè)計使用年限為50年。該鐵塔作為天線支架，頂部也兼顧用于支撐避雷塔，擬建鐵塔沒有斜拉索，而采用了四根鋼結(jié)構(gòu)支架傾斜上升，因此，兩兩鋼結(jié)構(gòu)支架之間的底部間距增大為4m。

圖3 擬建自立鐵塔結(jié)構(gòu)示意圖

按照設(shè)計資料，該鐵塔由四根相同的支架組成，每根支架由10節(jié)短支架組成，每節(jié)短支架高5米，短支架的傾斜度、兩兩間距及粗細(xì)均按照圖紙建模，而鋼結(jié)構(gòu)支架的豎直總高度為50m。鐵塔模型，將每段支架之間用一定寬度的鋼結(jié)構(gòu)條帶支撐，在支架的頂部，也進(jìn)行了避雷針的建模［7～8］。

改建后中波導(dǎo)航臺地網(wǎng)布局如圖2（b）所示。在現(xiàn)有地網(wǎng)的基礎(chǔ)上，越90°的地網(wǎng)被建筑物地基遮擋，僅在建筑物的四周用銅帶鋪設(shè)一圈環(huán)形接地銅帶，環(huán)形接地帶引申出一根接地銅帶與地網(wǎng)連接［9～10］，同時擬建鐵塔一側(cè)地基也會影響地網(wǎng)的鋪設(shè)，該處地網(wǎng)將按照建筑物地基的方式處理。

4 兩種鐵塔對天線電性能的影響仿真

4.1 仿真軟件的選擇

FEKO是由美國著名的仿真軟件公司ANSYS開發(fā)的，它是一款強(qiáng)大的三維全波電磁仿真軟件，基于復(fù)雜的數(shù)值方法來解決復(fù)雜的電磁工程問題［11］。距量法作為典型的積分方程方法之一［6］，可以求解任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問題，已廣泛應(yīng)用于電磁散射、輻射等問題的計算和分析，是論文仿真的基礎(chǔ)［12］。

4.2 仿真模型的建立

建模采用FEKO軟件中的CADFEKO進(jìn)行建模［13～14］，建模比例采用1∶1與實際施工圖一致的尺寸，本次仿真場景用到的模型包含天線、地網(wǎng)及鐵塔。

為了對比分析擬建鐵塔及地網(wǎng)對天線電性能的影響，本研究對改建前后兩種不同場景分別進(jìn)行了仿真。場景一為現(xiàn)有鐵塔+現(xiàn)有地網(wǎng)模型，如圖4（a）所示；場景二為擬建鐵塔+擬建地網(wǎng)模型，如圖4（b）所示。

圖4 現(xiàn)有鐵塔及地網(wǎng)與擬建鐵塔及地網(wǎng)模型

通常T型天線的電性能與頂線長度、引線數(shù)量和間距甚至饋電點位置均有關(guān)系，本研究目標(biāo)在于分析鐵塔改造前后天線工作性能的變化差異，因此在仿真時保持天線的結(jié)構(gòu)不變而針對不同外部環(huán)境來對天線方向圖和增益的電性能進(jìn)行分析研究［15］。

4.3 仿真過程及數(shù)據(jù)

進(jìn)行電磁仿真時，對目標(biāo)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分是一項基礎(chǔ)而必要的步驟［16～17］，而網(wǎng)格剖分的尺度大小一定程度上會影響計算結(jié)果的精度和計算效率。距量法一般要求目標(biāo)剖分網(wǎng)格尺寸小于λ/8［18］，而在本研究中，計算頻段為100kHz～1000kHz，波長為數(shù)百米，而模型精細(xì)處，如鋼結(jié)構(gòu)支架寬度尺寸在厘米級，因此在常規(guī)剖分之后網(wǎng)格精度實際已遠(yuǎn)超過距量法最低要求，為了分析模型網(wǎng)絡(luò)精度對仿真結(jié)果的影響，再進(jìn)一步對網(wǎng)格模型進(jìn)行細(xì)分［19～20］，但由計算得到的天線輻射方向圖對比結(jié)果可見，常規(guī)剖分與加細(xì)剖分計算得到的方向圖結(jié)果差異極小，因此本研究中采用常規(guī)剖分模型。

仿真得到的兩種場景天線三維方向圖如圖5所示（以500kHz為例），得到的天線增益如圖6所示。

圖5 現(xiàn)有鐵塔及地網(wǎng)與擬建鐵塔及地網(wǎng)模型

圖6 兩種場景下天線增益對比

改建前后天線方向圖的結(jié)果對比如圖7所示（以500kHz為例）。

圖7 兩種場景下天線方向圖對比

5 結(jié)語

本文通過仿真方法對T型天線的電性能進(jìn)行了研究，分析了鐵塔對天線電氣性能的影響，通過比較發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鐵塔及地網(wǎng)與擬建后的鐵塔及地網(wǎng)，從增益上看，T型天線的增益在整個頻段上趨勢保持一致，差異不大于0.24dB，兩種情景的T型天線增益的指標(biāo)均滿足中波導(dǎo)航天線的指標(biāo)要求；從方向圖上可以看出，兩種場景下天線的水平方向不均勻度差異小于0.05dB，均滿足全向的要求。

綜上所述，通過仿真方法對T型天線在不同場景的研究可以發(fā)現(xiàn)，擬建的鐵塔及地網(wǎng)與現(xiàn)有鐵塔及地網(wǎng)對天線的電性能影響基本一致，滿足應(yīng)用需求。該結(jié)論可以為同類型的鐵塔設(shè)計與改建提供可靠支撐。后期通過采集某機(jī)場中波導(dǎo)航臺鐵塔改建前后的實際飛行數(shù)據(jù)，導(dǎo)航信號誤差基本與原拉線塔一致，驗證了采用自立鐵塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉線塔方案的可行性。