【火腿专题】深度解剖低频航空无线电信标台，在卫星主导的今天逐渐走向落寞 / 开普饭

信标台是利用无线电信标引导飞机着陆的机场地面的设施。此着陆系统由地面无线电信标台与机载接收设备组成。频率为：100KHz-600KHz之间。无线电信标台包括定向信标台；下滑信标台；指点信标台。无线电信标广泛地应用于空中交通管制、无线电导航、导弹制导、外弹道测量与控制、卫星测轨和卫星地面标校等方面。

无线电信标设置在固定地点的全向无线电发射台，它发射一种特征信号，船或飞机上的无线电测向仪根据这种信号获得方位信息。一类是连续工作的，另一类是根据询问信号进行发射。也能够提供距离信息。

今天，和电台小叔BG5WKP一起来看一篇关于低频航空无线电信标台的深度好文。

解剖低频航空信标台

文：John S. Huggins

你曾经发生过这样的事情吗？

当你带着爱人穿越乡村时，会欣赏路过的田园农田……

爱人指着远处的天线问：“嗯，这是什么？”，你喃喃地说并右转上一条通往葡萄园的碎石路，但碰巧的是，您到了这个信标台脚下……

图3 – Culpeper MSQ信标的整个发射塔和发射电子装置的视图。

“好吧，亲爱的，我只需要几分钟就可以让你对这些天线和设备有了解。”你咬紧牙关说。随后，你拿起带有长镜头的相机，然后继续研究仍在航空领域中使用的少数几个LF信标之一。

Culpeper非定向信标（NDB）

图4 – NDB航空图符号

该导航辅助装置位于库尔珀珀地区机场西南偏南5英里处，为进站飞机提供跑道中心线定位。Airnav.com确认该信标仍在使用中，并提供详细信息…

频率：351 kHz

莫尔斯代码：MSQ

功率：25W

目前，当地管理部门已经大量停用了这些信标，但是在我居住的北13英里的地方仍然可以听到这些信号。我驾驶的这辆汽车的中波收音机证实这附近有功率辐射。

机场曾经有个信标，但是早已消失，弗吉尼亚州的许多其他场所也早已消失。无论出于何种原因，MSQ仍然存在。

中频信标

美航空信标的工作频率在190 kHz至535 kHz之间，因此在技术上跨越了LF和MF波段之间的1000米波长。如此长的波长对发射站的设计者和建造者提出了经济和工程上的挑战。一项调查显示，根据九个塔架截面，该站的塔架高度约为90英尺（27 m）。考虑到这一点，对于尝试在自己车辆上进行80和40m段移动通联的业余无线电爱好者来说，这样的设计挑战似乎很熟悉，但信标台的规模要大的多。

与典型的马可尼1/4波单极天线相比，NDB站天线更短。如上面的高度比较所示，信标设备具有非常短的电辐射器。在351 kHz的频率下，我们处理的波长超过半英里（85 km），因此任何要辐射25W功率的小型天线系统都值得研究。

从底部开始

图6 – MSQ低频Culpeper航空信标的发射设备。

除了拉线基础之外，所有内容都很好地包含在小围栏中。这是为了确保安全，但是，正如我们将在下面看到的，安全也是一样。

图7 –低频MSQ Culpeper信标的发射器设备和绝缘塔架。

我的猜测是发射器设备位于交流电源旁边的右侧黄色方框中。大直径导管将发射机连接到左侧的黄色方框，我认为这不过是无源天线匹配系统。

该塔似乎是简单的镀锌钢结构，带有令人印象深刻的绝缘体支撑。

图8 –低频MSQ Culpeper信标的绝缘塔架。

仔细看看怎么样。

图9 –绝缘塔柱。

馈电点

看看……这！！！

图10 –带有高压端子的发射器向绝缘塔提供能量。

你们中许多人可能在想：“所有这些？仅需25W!!”的确，电气短路天线在匹配部门需要一些史密斯圆图极限，其中涉及高压，这将在下面的分析中看到。火腿是火腿，我们专注于终端之类的细节，所以我们就这样做。

图11 –发射机天线端子

它很漂亮。铜线轻轻弯曲至塔架连接点，在此处只需将其夹在镀锌格栅上即可。

图12 –低频MSQ Culpeper信标的发射器导线和绝缘塔架。

就是这样！并不是真的那么奢侈。

关于闪电，电涌等

塔与地面电气隔离，并由黄色盒中的铜线供电。假设拉绒系统未将塔架接地，我们应该怀疑电荷积累或闪电事件如何找到接地的方法。如果您注意绝缘子端子上方的照片，则会看到其后面有一块金属。这是更好的意见…

图13 – MSQ LF信标的馈电点

在上面的照片中可以看到尖锐的终端气隙。

图14 –带有气隙消散的MSQ LF信标的馈电点。

一条厚实的皮带仅用几颗螺丝固定在外壳上，即可接地。

图15 –发射器输出处的气隙接地点

间隙相当大，大约一英寸左右。我假设发射机/匹配系统中内置了某种静电耗散，因此我认为，仅在发生雷电事件时，才需要留出一定的距离进行分流。这只是一种猜测，但我认为是合理的。

图16 –天线端子附近的警告标签

别开玩笑了……我毫不怀疑这个迹象会被认真对待。

上塔–绝缘拉线

该塔有三套拉索。底部和中间位置看起来像这样。

图17 –降低绝缘的拉线。

在照片中很难说出来，但是围绕塔架腿的镀锌钢丝圈的末端是一根螺栓，该螺栓与似乎不导电的电线共用。这是右边的特写。

图18 –降低绝缘的拉线。

附件人员仅在电气上进行了少量连接，只是将其缠绕在塔架腿上。但是，经过螺栓的剩余长度似乎不导电。分离断开、或以其他方式确保拉线不会干扰有源垂直散热器的运行非常有意义。

塔顶–非绝缘拉线

在塔的顶部，我们发现了完全不同的东西。

图19 –上部非绝缘拉线。

我们在塔架柱子上看到了同样的镀锌电线，但是其中涉及一些额外的电线。让我们仔细看看...

图20 –上面的非绝缘拉线显示跳线。

很难看到，但是将多余的镀锌钢丝辫子绑在主体上，然后牢固地夹紧在塔架上。显然，设计师的意图是使这些拉线与塔架顶部具有牢固的电气连接，同时提供机械支撑。

天线礼帽

这是塔上的视图，显示了所有三套设备。

图21 –塔的视图，其中显示了下部和中部绝缘的拉线以及连接的高顶线顶线。

我们看到下部和中间的拉线用较暗的拉线材料加上靠近塔架的过渡夹。电气连接的镀锌顶部拉线稍微伸出一点，似乎终止于红色箭头处的过渡点（如下所示）。假设这些过渡点使这些导线与机械拉曼系统的其余部分绝缘，那么我们有一个天线顶帽的三个辐条。

显示更低和中间的塔看法绝缘了高顶丝质礼帽的被绝缘的人导线以及被连接的高空作业的导线一起。

图22 –塔的视图突出了高顶盖拉索的端点。

到目前为止，所有操作电子短天线的规则都与该特定的信标发射站有关。

发射器/匹配器/塔式接地

黄色盒子中的铜线和看似无数条放射状的线绑在一起并夹在一根塔腿上。

图23 –发射器和塔架接地。

这是假设的径向束的近距离视图。

图24 –发射器和塔架径向地网接地。

这些照片所讲的就是这些。我通常会看到子午线直接伸入地面，而不是穿过我们在此处看到的天气帽。也许这可以保护子午线不受杂草修剪器的影响，从而使清洁工更轻松地完成工作。

拉线接地端子

最终，拉线与远离塔架的镀锌线重新连接，并在使用常规接地系统的连接点处终止。

图25 –“热”低频信标塔的盖伊电线。

351 kHz信标的电气分析

我们可以对这些猜测进行基本的NEC分析...

塔有9个部分，其中最低的部分包括约90英尺（27米）高的绝缘子。

由约60英尺（约18米）长的45度家伙制成的礼帽线。

假设在该点实际阻抗是多少，发射器输出绝缘体上的可用功率为25W。

假设发射器的接地点是接地棒加上径向磁场……我现在只需要连接MiniNEC接地点即可。

下面的分析是非常基础的，仅模拟小直径完美导电散热器的近似长度。它只是在这里显示礼帽功能的用途，并突出显示馈电点处的大电压。话虽如此，让我们继续。

NEC低频信标的结构

图26 – LF / MF信标具有电流幅度的NEC天线结构。

请注意，高帽电线在移动低电流，高电压方面做得很好，使尖端远离塔顶，以使垂直单极子在整个高度上保持良好的电流幅值（用绿线显示）。因此，高顶礼帽的目的。

低频信标的NEC参数

图27 – LF / MF信标的NEC天线参数

这是垂直导线底部附近的电源电压（洋红色小圆圈）。电压和阻抗值均确认该天线具有很高的电容性。尽管已做出了最大的努力，但该天线在电气上仍然很短。共轭天线匹配系统，大黄框，是必不可少的。仅25瓦，此模拟表明塔上的无功电压非常高。

低频信标的NEC增益模式

请记住，有许多参数，特别是涉及地面建模和效率的参数，会对该天线系统的实际实际增益造成破坏。下图显示了大约3 dBi的增益，但是请不要拘泥于此，因为我使用的是MiniNEC接地，接地电阻为零。但是，图案形状可能很好地表示了现实。

图28 – LF / MF信标的NEC天线方向图和增益

当然，也要考虑一个地波因素，但这对于该系统的主要航空用途并没有多大关系。这对于我在家里测试SDR，天线等时使用此信标确实很重要。该信标是检查MF接收的理想选择。我希望它继续播放。

随着时间的流逝，更好的NEC分析是可能的。我现在要指出的只是高压。

电场测量

因为可以，我沿着碎石路在距辐射塔不同距离的LF信标周围进行了一些点测量。我还从NEC4仿真中生成了电场剖面图，以便使用4nec2选择中的各种接地电导率和介电值进行比较。下图表示在地面以上2.5米处的电场值。

图29 –比较模拟场和测量场

尽管比模拟要低一些，但我测得的电场值大致遵循NEC4的预测。用于仿真的地面类型会稍微改变结果。出于本文的目的，考虑到具有许多变量的基本NEC模型，这是合理的相关性。对于使用NEC4并希望自己玩模拟游戏的人，这里是添加了.txt的NEC文件。模拟之前，请删除.txt。更改地面参数以查看会发生什么。

重要要点

航空非定向LF/MF信标是无线电工程的很好的研究。尽管它的尺寸很大，但90英尺左右的塔架是一个很小的天线问题，需要一些思考才能赢得设计大奖。在当今世界，手机也存在类似的问题，即为蜂窝电话，WiFi和即将用于5G的应用安装小巧的天线。对于大多数技术爱好者来说，问题在于他们从来没有看到和欣赏使这些设备的紧凑型天线正常工作的原因。航空信标确实没有什么不同，但是它是一个宏观尺度，可以很好地了解一个人需要占主导地位的技术。我们从这次信标调查中学到的东西包括：

无论您如何缩放，电气小都是电气小。

如果有足够的空间，大礼帽是提高效率的可靠解决方案。

高压和电容电抗是电小型天线的标准配置。

即使该信标只有25W，发射机系统天线端子和绝缘垫片上方的塔架仍存在数千伏特。忘记单手规则……这不需要任何手法……实际上只是让自己远离此类安装。

主散热器为镀锌钢塔，带有三根镀锌钢高顶丝。没有铜焊缝或任何花哨的东西。

该系统坚固，简单，并且在航空中起着重要作用。

在栅栏内是有原因的...