关于机场导航系统的防雷工程

中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]1关于机场导航系统的防雷工程马守山（成都兴业雷安雷电防护工程有限公司，成都620225）【摘要】本文着重叙述机场导航系统防雷工程勘测、设计、施工中遇到的实际问题及解决办法。【关键词】NDB导航VOR导航避雷针避雷器引言众所周知，机场是飞机起落和停留的场所。为了保障飞机飞行安全，除航管和塔台进行空中交通管制外，最重要的就是导航。导航有多种方式，其中以GPS导航为最先进的方式。但实际中,机场没有全面推广使用。目前多数机场是靠NDB导航台、VOR全向信标台、盲降台等导航系统的正常工作来保障飞机安全起落和飞行。随着科学技术的飞跃发展，导航设备的集成化越来越高，而承受雷电流冲击的能力越来越低。近年来，导航台设备遭受雷击的事例，也是多次发生。为了保障飞机安全飞行，本公司先后在北京国际首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、四川南充高坪机场等进行了防雷勘测、设计和施工。由于综合防雷方案设计合理，产品合格、施工规范和接地良好，雷雨季节防雷效果良好。1NDB导航台概况NDB导航台（图1）设备是一种固定中频无方向信标无线电发射机，它在水平方向辐射出无方向性波束。当该信号被机载无线电罗盘接收机收到后，可指示出飞机机身动向与地面导航台之间的相对方位角，为飞行员提供飞行方向信息和机场着陆信号。NDB导航设备工作在中长波频率。根据机场设计要求NDB天线塔高度从10多米到30多米不等，这样高的天线和天线塔最容易遭受雷击。图1NDB导航台示意图中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]22NDB导航台综合防雷措施2.1防直击雷措施在NDB天线塔上安装避雷针有良好的防直击雷作用。根据NDB天线两个塔的距离不等，按《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2000修改版）给出的滚球法设计避雷针的高度。当天线塔距离：D≥2)2(hhhr−时，按单支避雷针所规定的方法计算避雷针的高度。选定距天线塔（即避雷针）中心线的距离x（m）处，和该处的保护高度hx（m），可按（1）式计算出避雷针的高度。)2()2(xrxrhhhhhhx−−−=（1）式中：hr──选取的滚球半径（m）。在北京首都机场的NDB近台、远台、山区台处地不同，由于hx、x不同，避雷针计算高度也不同，近台由于机场限高原因,避雷针加高部分只有2m，而在远台和山区台加高部分3～6m。避雷针接地电阻4Ω，起到了良好的防雷效果。2.2导航台供电系统防感应雷措施由于NDB导航台机房较小，供电系统采用三级防雷。电源电涌保护（SPD）安装位置彼此间非常靠近，导致雷击时第一级导通起作用后，第二级来不及启动；或有的时候雷电通流量泄放瞬间地网带很低的负电位，第一级未启动而第二级已启动。由于第二级承受不了100kA波形的雷电流而被彻底烧毁，甚至损坏设备。为彻底解决上述问题，雷安公司研制生产高能串联式电源SPD。串联式电源SPD的特点是在第一级和第二级之间设计有退耦合电感（或称迟延电感），设计一定的迟延时间实现第一级启动后，第二级再启动，保证多级电源SPD能正常工作。本公司在上海浦东机场所有导航台防雷施工中均安装此种串联式电源SPD，多年来起到了良好的避雷效果。3全向信标台（VOR）和测距仪（DME）的防雷措施全向信标台（VOR）的作用是给飞机提供相对磁北的绝对方位信息，对传输信号的相位移要求特别严格。因此，VOR天线馈线（SPD）必须是无迟延型的天馈SPD。测距仪（DME）工作频率为920～1215MHz，天线为叠形，粗天线，垂直极化，不存在相移问题。对于测距仪（DME）的防雷，成都兴业雷安电子有限公司专门研制了一种新型的天馈SPD，该实用新型SPD对DME天线馈线能起到良好的防雷效果。实用新型天馈SPD利用λg/8短路线原理设计而成，见[3]。根据现有电磁场理论，首先在空气介质中对λ/4短路线进行理论分析。其负载阻抗计算原理如图2所示。图2负载阻抗计算原理中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]33.1负载端短路时的入端阻抗的分析：[1]当负载端短路Z2=0时，入端阻抗为：LZLLZZΓ=ΓΓ=tanhcoshsinh001(2)式中：Z0──负载阻抗；г──相移常数；L──均匀传输线长度。由（2）式可知：入端阻抗Z1不仅与Z0、Z2有关，而且与传输线长度L有关，因此通过调整L可获得不同的入端阻抗。微波领域中[2]，由于频率较高，R0或G0相对可以忽略，可将实际传输线按无损耗处理，这时，入端阻抗为：Z1=Zo当负载短路时Z2=0，如果传输线长度L很短，上式可近似为：Z1=jZ0tan[（2π/λ）L]（3）由（3）式可见，L长度不同，入端阻抗不同；当L=λ/4时，Z1=∞；当L在0~λ/4范围内入端阻抗为纯感性，L在λ/4~λ/2之间，入端阻抗为纯容性。根据上述分析，负载端短路的无损耗传输线可用作电抗元件，它的参数是感性还是容性，取决于导线长度。长度为λ/4的短路线的入端阻抗为∞，利用其特性，将传输线长度设计在传输信号频率λ/4长度上，入端阻抗理论上∞，无损耗顺利通过，而对其他频段则呈现短路或部分短路状态。3.2实用新型天馈SPD采用压缩传输线长度的分析根据现有微波理论[3]，有损的均匀传输线的基本方程为：ð2U/ð2X=L0C0(ð2U/ð2t)+（R0C0+G0L0）ðU/ðt+R0G0U(4)式中：U──分布电容两端电压；L0──分布电感；C0──分布电容；R0──分布电容损耗；G0──分布电感损耗。其等效电路如图3所示。图3实用新型高频等效回路原理图本实用新型SPD旨在针对现有天馈SPD短路线设为λ/4而存在的加工周期长，成本高的缺陷，提供一种新式天馈SPD，该天馈SPD缩短短路线长度可大大减少加工周期，节省大量材料，降低成本。为解决上述技术问题，本实用新型SPD所采用的技术方案如下：一种天馈SPD，其特征在于：短路传输线机械长度为λ/６～λ/10。所述短路传输线谐振长度为λ/8。Z2+jZ0×tan[（2π/λ）L]Z0+jZ2×tan[（2π/λ）L]中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]4所述天馈SPD的谐振电容为谐振长度压缩后对地分布电容。本实用新型提出的是一种适用于通信频段大功率收发设备及传输系统，串联在信号传输电缆和设备之间，防止感应雷电由天馈传输电缆窜入收发设备的天馈SPD。该天馈SPD的射频范围为800~1000MHz，在该频段内的插入损耗≤0.1dB，电压驻波≤1.15，雷电通流量可达20kA（8/20µs），残压≤40V，传输功率≤500W。可见，实用新型天馈SPD是一种具有低损耗、小电压驻波、低残压优良特性的产品。本实用新型采用的缩短传输线长度是创新技术，将其用于LAT1000天馈SPD可大大减少加工周期，节省大量材料，调试方便，并带来巨大经济效益。本实用新型采用π型网络高通滤波器。该滤波器对地的电容量变大,对地电感减小,给雷电流提供了最佳通道，而对800~1000MHz的高频信号则相当于开路。在20kA（8/20µs）雷电通流时残压≤40V,但正因为上述原因，将传输线长度设计在λ/4上，而使得SPD加工周期长，材料耗用大，成本高。本实用新型则是通过压缩传输线长度克服其不足。由等效电路可知，λ/4传输线实现谐振是由于调整分布电容、分布电感来实现的，因此可将λ/4传输线长度压缩成λ/8，这样，分布电感减少了，可通过设计增加传输线的端电容来弥补，通过调试使其达到谐振。实用新型天馈SPD插入损耗特性如图4所示；实用新型天馈SPD的VSWR如图5所示。图4实用新型天馈SPD插入损耗图5实用新型天馈SPD的VSWR雷安公司在国内外最早采用高通滤波器方案，首先在同轴腔或微波电路中实现了分布参数和集中参数的混合电路设计的天馈SPD。最高频率达6GHz。其特点是高通滤波器在RF通路上的电容对雷电脉冲（主要能量在低频）有很高的隔离度，而高通滤波器的对地电感（相当于λg/4短路线）则是雷电电流最佳通路。此种新型天馈SPD在北京首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场等全国20多个机场的导航台均有使用。指点标天线馈线安装天馈SPDLAT－500防止感应雷从天馈线窜入机房损坏指点标设备。经过多年雷雨季节的检测，防雷效果良好，保证了飞机的安全起飞。4特殊问题特殊的解决方法4.1NDB笼式天线成都兴业雷安雷电防护工程公司在全国20多个机场防雷工程中，NDB导航台天线多为如图1所示的塔台天线水平架设。唯有北京首都机场大王庄NDB台的天线是笼式垂直安装如图6所示，且整个天线与地绝缘。中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]5图6笼式天线示意图4.2防雷工程中遇到的特殊问题施工人员根据设计方案和施工图要求，在笼式天线顶部500mm厚玻璃钢绝缘坐上安装一根典型的富兰克林式避雷针，经引下线与地网连接后，NDB导航设备严重失谐，发不出导航信号。4.3分析原因经多次试验证实设计方案有错误。因为笼式天线是对地绝缘而安装避雷针必须将引下线75mm2多股铜线从上至下穿过笼式天线接地。实际上将地引到笼式天线顶端。接地引下线穿过笼式天线严重地改变了笼式天线对地参数，导致NDB导航设备严重失谐，不能发出导航信号。4.4特殊解决方案更改设计方案。鉴于避雷针不能安装在笼式天线顶端，建议距笼式天线7m远处安装一根高出笼式天线3m的独立避雷针。5信号线系统防雷措施桂林两江机场航管监控室是通过无线系统实现的，因此未安装信号SPD，而大多数机场场内各导航台为有线传输监控信号。为防止感应雷电流窜入监控室损坏设备，在信号传输线两端均安装了信号SPD，起到了良好的防雷作用。6结束语虽然机场导航系统设备遭雷击是小概率事件，但事实上机场设备遭雷击的现象是屡见不鲜的。因此，对机场航空管制设备、雷达设备、导航设备进行综合防雷是十分必要的。用较小代价是使雷击灾害减至最小，换取雷击季节保障飞行安全是非常值的。参考文献[1]冯慈璋《磁场原理》人民教育出版社出版[2]《微波电路设计》IEEETransonMTT-29N.06[3]《微波滤波器阻抗匹配网络与耦合结构》(上册)科技情报通讯编辑室作者简介：马守山，男，1937年5月出生，高级工程师，1997年1月～至今在成都兴业雷安雷电防护工程有限公司,从事防雷工程设计、施工、勘测。