艦艇短波地波通信鏈路計(jì)算與分析

張志剛1，謝 慧1，丁 雷2,聶 峰

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢 430033；2.南海艦隊(duì)通信處，廣東 湛江 524000；3.山東武警總隊(duì)通信處，濟(jì)南250000)

1 引 言

短波通信是海上艦艇通信的重要手段，由于艦艇上層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，為減小占地面積，艦艇短波天線多采用體積小、架設(shè)方便的鞭天線。直立鞭天線的方向特性導(dǎo)致該天線采用天波通信時(shí)，在近距離存在通信盲區(qū)；另一方面，海水導(dǎo)電率大，對(duì)電波衰減小，海上艦艇間的近距離短波通信可采用地波傳播。文獻(xiàn)[1,2]在計(jì)算艦艇間的短波地波通信鏈路時(shí)，均將天線視為性能不隨頻率變化的理想天線，實(shí)際艦載鞭天線為保證阻抗帶寬足夠?qū)?，通常在天線體上實(shí)施加載，以降低天線的駐波比[3]，而加載阻抗要吸收一部分能量，導(dǎo)致天線的輻射效率降低，尤其是低頻段，天線的駐波比也較高，因此鞭天線實(shí)際輻射出去的功率要遠(yuǎn)小于輸入功率，導(dǎo)致天線的實(shí)際通信能力與理想條件下計(jì)算的結(jié)果有較大差距。本文結(jié)合艦載鞭天線仿真和測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)，考慮天線輻射效率和饋線傳輸效率的影響，對(duì)海上艦艇近距離地波通信能力進(jìn)行計(jì)算和分析，可比較真實(shí)地反映艦艇近距離短波地波通信情況。

2 天線性能仿真計(jì)算

10 m鞭天線是艦艇上使用較多的一種短波寬帶天線，為了實(shí)現(xiàn)鞭天線駐波比的寬帶化，在天線鞭體上設(shè)置兩個(gè)集中加載點(diǎn)，上加載點(diǎn)為RL并聯(lián)加載，下加載點(diǎn)為RLC并聯(lián)加載，天線結(jié)構(gòu)見圖1，采用矩量法計(jì)算該天線的電氣性能[3]。

圖1 短波單鞭加載天線示意圖Fig.1 Schematic drawing of single loaded HF whip antenna

在矩量法中，激勵(lì)區(qū)采用δ電壓源時(shí)，外加電場(chǎng)可表示為[4]

Eiz=Vδ(z)

(1)

式中，V為激勵(lì)電壓。

對(duì)于集中加載，在加載區(qū)長度比天線長度小很多的情況下，可用狄拉克函數(shù)來代替加載區(qū)及其鄰域中加載阻抗的分布規(guī)律。天線的集中加載阻抗分布可表示為

Z(z)=Ziδ(z-zi)

(2)

式中,Zi為加載處的集總元件阻抗，zi為加載區(qū)中心點(diǎn)位置。

采用海倫積分方程，表達(dá)式為

(3)

選用正弦插值基時(shí)，第i段上電流可用下式表示[4]：

Ii(z)=Ai+Bisink(z-zi)+Cicosk(z-zi)，
z-zi<Δi/2

(4)

式中，Δi為第i段的長度，zi為該段中點(diǎn)的坐標(biāo)，Ai、Bi、Ci為3個(gè)未知系數(shù)。

將電流展開函數(shù)代入積分方程，用沿天線軸線的線積分代替沿天線表面的面積分，權(quán)函數(shù)采用δ函數(shù)，就可得到一個(gè)矩陣方程，求解這個(gè)矩陣方程即可獲得天線上的電流分布，進(jìn)而計(jì)算出天線的輸入阻抗、增益和方向圖等參數(shù)。圖2為天線沿海面方向的增益仿真曲線和發(fā)射機(jī)輸出端的駐波比測(cè)試曲線。

圖2 10 m短波寬帶鞭天線的駐波比及水平方向的增益Fig.2 The VSWR and power gain of 10 m HF whip antenna

由圖2可見，由于鞭天線在低頻段的輻射效率非常低，導(dǎo)致天線在低頻段的實(shí)際增益比較低，3 MHz時(shí)低于-8 dBi，而且由于低頻段駐波比比較高，實(shí)際傳送到天線上的功率比理想情況低得多。

3 地波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

考慮地波傳播過程中的擴(kuò)散損耗和地面吸收損耗，在接收點(diǎn)可達(dá)到的場(chǎng)強(qiáng)值(mV/m)可表示為

(5)

式中，A為由大地?fù)p耗所引起的衰減因子，Pr為輻射功率(單位：km)，D為傳播方向的增益系數(shù)，r為收發(fā)距離(單位：km)。衰減因子的計(jì)算與傳播距離有關(guān)，小于臨界距離，可忽略地球彎曲對(duì)傳輸?shù)挠绊?；如果收發(fā)距離超過了該距離，計(jì)算時(shí)必須考慮地球彎曲的影響。臨界距離由下式給出：

dcr=80f-1/3

(6)

衰減因子計(jì)算方法如下：

(1)當(dāng)d

通常，相位常數(shù)β≤90°，衰減因子常用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(7)

式中，f為工作頻率，單位為MHz;σ為地表電導(dǎo)率，單位為s·m-1；εr為相對(duì)介電常數(shù)；λ為波長，單位為m;d為距離，單位為km。

(2)當(dāng)d>dcr時(shí)

此時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)的地波是沿著地球弧形表面繞射傳播的，必須考慮地球曲率的影響，這種遠(yuǎn)距離的地波電場(chǎng)強(qiáng)度必須使用繞射公式進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)的衰減因子A為

(8)

式中，參量δ值隨電波的極化而變，鞭天線沿海面主要為垂直極化。對(duì)垂直極化而言：

(9)

參量τ0為一復(fù)數(shù)，其實(shí)部Re(τ0)和虛部Im(τ0)與模量δ=k的關(guān)系可在文獻(xiàn)[7]中查取；參變量φ為相位常數(shù)，其計(jì)算公式為

(10)

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)式(5)，結(jié)合10 m鞭天線的增益仿真結(jié)果和駐波比測(cè)試結(jié)果，對(duì)艦載鞭天線在海上不同條件下的地波通信鏈路進(jìn)行計(jì)算，典型地設(shè)置發(fā)射機(jī)輸出功率為1 kW，考慮饋線損耗，實(shí)際天線的輸入功率為800 W，海面相對(duì)介電常數(shù)εr=80，電導(dǎo)率σ=4 Ω/m。

計(jì)算距離分別為300 km、200 km、100 km時(shí)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同距離時(shí)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系Fig.3 Field strength vs. frequency at different distance

由圖3可見，由于受輻射效率及饋線系統(tǒng)傳輸效率的影響，10 m鞭天線在接收點(diǎn)獲得的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)要比理想情況下低，尤其是3 MHz，相差15 dB左右。與理想天線場(chǎng)強(qiáng)隨工作頻率升高而下降的單一變化趨勢(shì)不同，實(shí)際鞭天線用地波進(jìn)行通信時(shí)存在一個(gè)最佳工作頻段，由圖3可見，通信距離為100 km時(shí)，4～8 MHz時(shí)信號(hào)較強(qiáng)，200 km時(shí)最佳工作頻段為4～6 MHz，300 km的最佳工作頻段為4～5 MHz，通信距離越遠(yuǎn)，最佳工作頻段寬度越窄，頻率也越低，表明雖然天線的輻射效率和饋線系統(tǒng)的傳輸效率在低頻段比較低，但是由于地波衰減隨頻率升高也迅速增加，因此綜合而言，較低的工作頻率仍然具有優(yōu)勢(shì)，不過由于3 MHz時(shí)天線的輻射效率和傳輸效率過低，因此場(chǎng)強(qiáng)明顯偏低。若取天線接收的最低場(chǎng)強(qiáng)要求為20 dBμV·m-1，計(jì)算天線在海上能夠有效覆蓋的最遠(yuǎn)距離與工作頻率的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 在海面不同頻率信號(hào)能被有效接收的最遠(yuǎn)距離Fig.4 The longest distance that signal can be effectively received

由圖4可見，在海面上，為使艦艇短波地波傳播距離最遠(yuǎn)，工作頻率應(yīng)選取為3～5 MHz，此時(shí)傳播距離在500～550 km左右；超過5 MHz后，傳播距離將顯著縮短。

5 結(jié) 論

艦載鞭天線的實(shí)際輻射性能對(duì)艦艇短波近距離地波通信能力有較大的影響，文中結(jié)合天線仿真和測(cè)量數(shù)據(jù)，考慮了天線輻射效率和饋線傳輸效率的影響，對(duì)海上艦艇短波地波通信能力進(jìn)行計(jì)算，得出了一些有用的結(jié)論：

(1)通信距離為100 km時(shí)，艦載10 m鞭天線工作頻率為4～8 MHz可使接收點(diǎn)獲得最強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)；200 km時(shí)，最佳工作頻率為4～6 MHz；300 km時(shí)，最佳工作頻率為4～5 MHz；

(2)在海面上最低場(chǎng)強(qiáng)要求為20 dBμV·m-1時(shí)，為使傳播距離最遠(yuǎn)，工作頻率應(yīng)選取為3～5 MHz，此時(shí)傳播距離可達(dá)500～550 km；超過5 MHz后，傳播距離將顯著縮短。

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