中波导航台铁塔对天线性能影响分析

杨法红 金 音 李 梦

（92524部队 宁波 315020）

1 引言

中波导航台是发射垂直极化波的无方向性发射台，与机载无线电罗盘配合工作，组成中波导航系统，主要用于测量飞机纵轴方向到地面导航台的相对方位角，引导飞机沿预定航线飞行、归航和进场着陆。由于机场中波导航台位于跑道中线延长线上，天线和地网占地面积较大，早期建设的台站特别是远距导航台，天线铁塔和拉锚用地大多不是台站保护用地，随着城市的发展，台站周围的民用设施建设已经严重违反国军标关于台站电磁环境保护的相关规定［1］，影响台站战术技术性能的正常发挥［2］，给天线和地网维护保养也带来了很大的困难，甚至有的中波导航台铁塔和地锚已完全被民房包围，长期无法进行维护保养，存在很大的安全隐患。采用自立铁塔代替传统拉线塔的方案可以减少占用地方用地范围［3］，一定程度上缓解与地方建设发展的矛盾，便于后期维护保养。

论文以某机场中波导航台天线铁塔拟改造方案为例进行仿真和分析。某机场由于附近道路和建筑扩建等原因，需要对现有铁塔及部分地网进行改造，拟拆除现有拉线铁塔，在原址新建自立铁塔，同时部分地网由于受新建铁塔和地面厂房影响需重新敷设［4］，为评估新建铁塔对其装载的天线工作性能的影响，需在前期进行仿真计算和分析，避免因铁塔改建而导致天线工作性能下降，影响飞行安全。

2 现有拉线铁塔结构

某机场现有中波导航台天线为常用的T型天线，如图1所示。每个铁塔由铁塔支架及斜拉索组成，铁塔支架由三个竖直钢结构形成，两两钢结构支架相距0.6m组成等边三角形，在支架顶部与底部分别将支架用条形钢连接起来。天线铁塔高50m，铁塔间距54m，每个铁塔设四层三向共12根拉线，每根拉线以6m为一段，用蛋型隔电子连接，直至地锚。天线工作频段为100kHz～1000kHz，增益大于0 dBi，功率容量大于2 kW，极化方式为垂直极化，水平面方向图为全向，天线阻抗为50Ω，天线绝缘电阻大于500MΩ，水平方向不均匀度 ≤0.1dB。要求T型天线夏季中心点下垂不大于80cm。

图1 现有拉线塔结构示意图

中波导航台地网布局如图2（a）所示。地网以Φ500铜盘为中心点，向外辐射36根长度30m的Φ4硬铜线，硬铜线末端用铜钉加以固定，硬铜线与铜盘、铜钉连接处采用铜焊焊接，所有地网材料买埋入地面下约80mm处，要求地阻不大于1 Ω。

图2 改建后地网铺设示意图

3 拟建自立铁塔结构

拟新建自立铁塔结构如图3所示。该铁塔采用四柱角钢塔结构［5～6］，采用桩基础，设计基础根开为4.6m，两铁塔中心点间距由原来的54m扩大为63m，铁塔高度为50m。设计基本风压为0.65kN/m2，设计使用年限为50年。该铁塔作为天线支架，顶部也兼顾用于支撑避雷塔，拟建铁塔没有斜拉索，而采用了四根钢结构支架倾斜上升，因此，两两钢结构支架之间的底部间距增大为4m。

图3 拟建自立铁塔结构示意图

按照设计资料，该铁塔由四根相同的支架组成，每根支架由10节短支架组成，每节短支架高5米，短支架的倾斜度、两两间距及粗细均按照图纸建模，而钢结构支架的竖直总高度为50m。铁塔模型，将每段支架之间用一定宽度的钢结构条带支撑，在支架的顶部，也进行了避雷针的建模［7～8］。

改建后中波导航台地网布局如图2（b）所示。在现有地网的基础上，越90°的地网被建筑物地基遮挡，仅在建筑物的四周用铜带铺设一圈环形接地铜带，环形接地带引申出一根接地铜带与地网连接［9～10］，同时拟建铁塔一侧地基也会影响地网的铺设，该处地网将按照建筑物地基的方式处理。

4 两种铁塔对天线电性能的影响仿真

4.1 仿真软件的选择

FEKO是由美国著名的仿真软件公司ANSYS开发的，它是一款强大的三维全波电磁仿真软件，基于复杂的数值方法来解决复杂的电磁工程问题［11］。距量法作为典型的积分方程方法之一［6］，可以求解任意复杂结构的电磁问题，已广泛应用于电磁散射、辐射等问题的计算和分析，是论文仿真的基础［12］。

4.2 仿真模型的建立

建模采用FEKO软件中的CADFEKO进行建模［13～14］，建模比例采用1∶1与实际施工图一致的尺寸，本次仿真场景用到的模型包含天线、地网及铁塔。

为了对比分析拟建铁塔及地网对天线电性能的影响，本研究对改建前后两种不同场景分别进行了仿真。场景一为现有铁塔+现有地网模型，如图4（a）所示；场景二为拟建铁塔+拟建地网模型，如图4（b）所示。

图4 现有铁塔及地网与拟建铁塔及地网模型

通常T型天线的电性能与顶线长度、引线数量和间距甚至馈电点位置均有关系，本研究目标在于分析铁塔改造前后天线工作性能的变化差异，因此在仿真时保持天线的结构不变而针对不同外部环境来对天线方向图和增益的电性能进行分析研究［15］。

4.3 仿真过程及数据

进行电磁仿真时，对目标模型进行网格剖分是一项基础而必要的步骤［16～17］，而网格剖分的尺度大小一定程度上会影响计算结果的精度和计算效率。距量法一般要求目标剖分网格尺寸小于λ/8［18］，而在本研究中，计算频段为100kHz～1000kHz，波长为数百米，而模型精细处，如钢结构支架宽度尺寸在厘米级，因此在常规剖分之后网格精度实际已远超过距量法最低要求，为了分析模型网络精度对仿真结果的影响，再进一步对网格模型进行细分［19～20］，但由计算得到的天线辐射方向图对比结果可见，常规剖分与加细剖分计算得到的方向图结果差异极小，因此本研究中采用常规剖分模型。

仿真得到的两种场景天线三维方向图如图5所示（以500kHz为例），得到的天线增益如图6所示。

图5 现有铁塔及地网与拟建铁塔及地网模型

图6 两种场景下天线增益对比

改建前后天线方向图的结果对比如图7所示（以500kHz为例）。

图7 两种场景下天线方向图对比

5 结语

本文通过仿真方法对T型天线的电性能进行了研究，分析了铁塔对天线电气性能的影响，通过比较发现现有铁塔及地网与拟建后的铁塔及地网，从增益上看，T型天线的增益在整个频段上趋势保持一致，差异不大于0.24dB，两种情景的T型天线增益的指标均满足中波导航天线的指标要求；从方向图上可以看出，两种场景下天线的水平方向不均匀度差异小于0.05dB，均满足全向的要求。

综上所述，通过仿真方法对T型天线在不同场景的研究可以发现，拟建的铁塔及地网与现有铁塔及地网对天线的电性能影响基本一致，满足应用需求。该结论可以为同类型的铁塔设计与改建提供可靠支撑。后期通过采集某机场中波导航台铁塔改建前后的实际飞行数据，导航信号误差基本与原拉线塔一致，验证了采用自立铁塔代替传统拉线塔方案的可行性。