微波定向天線對準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法

李海濤,李 燕,張建忠

(1.大連海軍91550部隊(duì),遼寧大連610023;

2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在微波通信中往往采用定向天線,保證微波通信的可靠性,由于定向天線波束角較窄,天線對準(zhǔn)是比較困難的一個(gè)問題。目前國際上對定向天線的對準(zhǔn)除了采用傳統(tǒng)的計(jì)算方位角和俯仰角然后根據(jù)羅盤指向?qū)?zhǔn)天線外,還利用全向天線輔助方法進(jìn)行天線對準(zhǔn),但都沒有給出工程上具體如何實(shí)現(xiàn)天線對準(zhǔn)。在此主要提出在已知通信雙方經(jīng)緯度情況下和不知道對方經(jīng)緯度僅知道雙方大致方位下具體如何實(shí)現(xiàn)天線對準(zhǔn)的工程方法,對微波通信天線對準(zhǔn)的工程實(shí)現(xiàn)具有指導(dǎo)意義。

1 通信雙方距離和方位角的計(jì)算

1.1 借助于計(jì)算公式編程計(jì)算

根據(jù)經(jīng)緯度,可以計(jì)算通信雙方之間的通信距離和方位角的指向。

設(shè)兩站分別為甲站和乙站,A為甲站的維度,B為甲站的經(jīng)度,C為乙站的維度,D為乙站的經(jīng)度。計(jì)算公式如下:

式中,d為通信距離;φa為方位角。以下程序適用于全球,不僅僅局限于東經(jīng)和北緯地區(qū)。

MATLAB參考程序如下:

A1=input(′INPUT A STATION LATITUDE deg PLEASE,if south add″-″sign′)

A2=input(′INPUT A STATION LATITUDE min PLEASE if south add″-″sign′)

A=(A1+A2/60)*(pi/180);

B1=input(′INPUT A STATION LONGTITUDE deg PLEASEif west add″-″sign′)

B2=input(′INPUT A STATION LONGTITUDE min PLEASE if west add″-″sign′)

B=(B1+B2/60)*(pi/180);

C1=input(′INPUT B STATION LATITUDE deg PLEASE if south add″-″sign′)

C2=input(′INPUT B STATION LATITUDE min PLEASE if south add″-″sign′)

C=(C1+C2/60)*(pi/180);

D1=input(′INPUT B STATION LONGTITUDE deg PLEASEif west add″-″sign′)

D2=input(′INPUT B STATION LONGTITUDE min PLEASE if west add″-″sign′)

D=(D1+D2/60)*(pi/180);

d=111.12*(acos(sin(A)*sin(C)+cos(A)*cos(C)*cos(D-B)))*(180/pi)

d1=d*(pi/180);

if D＞B

Ia=(acos(((sin(C)-sin(A)*cos(d1/111.12))./sin(d1/111.12))*cos(A))*(180/pi)) %甲站方位角

Ib=360-acos((sin(A)-sin(C)*cos(d1/111.12))/sin(d1/111.12)*cos(C))*(180/pi) %乙站方位角

else

Ia=360-(acos(((sin(C)-sin(A)*cos(d1/111.12))./sin(d1/111.12))*cos(A))*(180/pi)) %甲站方位角

Ib=acos((sin(A)-sin(C)*cos(d1/111.12))/sin(d1/111.12)*cos(C))*(180/pi) %乙站方位角end

1.2 借助于FransonCoordTrans軟件計(jì)算

該軟件可在互聯(lián)網(wǎng)上下載,但有效期一個(gè)月后需要注冊付費(fèi)使用。

該軟件采用可視界面,操作簡單直觀。除了具有多個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換功能外,可方便計(jì)算全球任意兩點(diǎn)的通信距離和方位角。計(jì)算時(shí)通常采用WGS84坐標(biāo)系,這與目前使用的GPS坐標(biāo)系相符,容易操作。通過輸入兩端經(jīng)緯度數(shù)值、并界面選擇東西經(jīng)和南北緯即可方便得到2個(gè)站點(diǎn)的通信距離和通信方位角。2個(gè)站點(diǎn)在世界地圖中的位置也可以在界面下方的簡易google地圖上顯示出來。

1.3 磁偏角的修正

在開通過程中,通常通過磁羅盤或電子羅盤依據(jù)計(jì)算出的天線方位角調(diào)整定向天線,羅盤指定的方位角由于磁偏角的存在會存在偏差,因此需要根據(jù)磁偏角正負(fù)對天線對準(zhǔn)角度進(jìn)行修正,以保證天線角度的準(zhǔn)確調(diào)整,其具體做法是向西減磁偏角向東加磁偏角。世界各地的磁偏角是不一樣,還需要查閱當(dāng)?shù)氐拇牌菙?shù)值,下面給出國內(nèi)幾個(gè)典型地區(qū)城市的磁偏角值。

表1 國內(nèi)主要地區(qū)城市磁偏角

以北京地區(qū)為例,如果計(jì)算出的真北方位角是北偏西30°,那么天線需要指向羅盤方位的北偏西36°的位置。以4 GHz的 2.4 m拋物面天線為例,該天線的波束角只有1.9°,因此磁偏角的影響決不能忽略。

全球范圍磁偏角值可查閱相關(guān)資料、下載世界磁偏角地圖查閱和采用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的軟件進(jìn)行。

2 天線俯仰的計(jì)算

天線的俯仰角就是兩地天線之間傳播直線與天線處地球的切線夾角,如圖1所示。圖1中,α為h1天線的俯仰角;β為h2天線的俯仰角;h1為天線的掛高與此地海拔高度之和;h2為天線的掛高與此地海拔高度之和。

圖1 天線俯仰角示意圖

供參考的俯仰角的計(jì)算MATLAB基本程序如下:

H11=input(′輸入 A 站海拔高度:′)

H12=input(′輸入 A 站天線掛高:′)

r=8500; %單位千米,地球大氣折射等效半徑。

ha=H11+H12+r*1000;

H21=input(′輸入 B 站海拔高度:′)

H22=input(′輸入 B 站天線掛高:′)

hb=H21+H22+r*1000;

d=input(′輸入兩站通信距離:′)

d3=(ha)^2+(hb)^2-(2*(ha)*(hb)*cos(d/r))

d4=sqrt(d3)

z1=(ha-hb*cos(d/r))/d4

pp=acos(z1)*(180/pi)

if pp＞90

zz=pp-90

else

zz=-(90-pp)

end

3 天線對準(zhǔn)的準(zhǔn)則

3.1 已知雙方經(jīng)緯度時(shí)天線對準(zhǔn)

微波信號理論接收電平計(jì)算公式如下:

式中,Pr為天線端的接收電平;Pt為對端的發(fā)射功率(dBm);G1和G2分別為兩端天線增益(dBi);f為工作頻率(GHz);d為通信距離(km);L為兩端饋線損耗等其他損耗之和。

通過前面計(jì)算的通信雙方的通信距離、帶入此公式計(jì)算出通信兩端的理論接收電平。

在民用通信中天線通常掛在鐵塔上,這時(shí)天線具有俯仰桿和方位桿,把天線按照上述計(jì)算的方位角和俯仰角數(shù)值掛好天線,然后進(jìn)行俯仰桿和方位桿的微調(diào),測量實(shí)際接收電平,當(dāng)實(shí)際接收電平與理論計(jì)算接收電平相當(dāng)時(shí),則認(rèn)為天線已經(jīng)對準(zhǔn)。

在軍用通信中天線掛在車載的天線桿上,通常天線桿上掛有云臺,輸入雙方經(jīng)緯度后云臺控制設(shè)備可借助于電子羅盤自動調(diào)整天線方位角和俯仰角,然后再手動微調(diào)。由于軍用通信中通常要求快速開通,天線的尺寸通常不大,方位角和俯仰角的角度較大,容易對準(zhǔn),很多情況下甚至不用調(diào)整俯仰角,但對準(zhǔn)判斷原則不變。

3.2 未知雙方經(jīng)緯度時(shí)天線對準(zhǔn)

在未知雙方經(jīng)緯度時(shí),天線的方位角和俯仰角均不可得到,此時(shí)定向天線對準(zhǔn)可借助于全向天線或低增益定向天線做輔助,由于全向天線或低增益定向天線的增益較低,其方位角和俯仰角比較寬,容易實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn),此時(shí)發(fā)射端可采用發(fā)射單載波或低速數(shù)據(jù)來保證接收電平的處理。

借助于全向天線或低增益天線對準(zhǔn)的實(shí)際方法如下:首先一端使用全向天線另一端使用定向天線,調(diào)整定向天線得到最佳接收電平,然后另一端使用全向天線,本端使用定向天線,調(diào)整本端定向天線,得到最佳電平,然后兩端同時(shí)使用定向天線,進(jìn)行微調(diào)即可對準(zhǔn)。

如果是天線控制單元控制的天線自動對準(zhǔn),可以將上述對準(zhǔn)程序編程輸入電腦中,控制天線實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn),但是由于實(shí)際工程中受地理環(huán)境的影響,會出現(xiàn)多徑效應(yīng),從而天線對準(zhǔn)會出現(xiàn)偏差,也需要手動輸入數(shù)值進(jìn)行方位角和俯仰角的校正。

借助全向天線實(shí)現(xiàn)定向天線也可以使用在已知雙方經(jīng)緯度的情況下,此時(shí)所謂的最佳接收電平就是理論計(jì)算的接收電平,但是由于全向天線抗多徑能力較差有時(shí)會出現(xiàn)接收電平偏差,需要引起注意

4 結(jié)束語

在工程實(shí)踐中,天線的對準(zhǔn)過程不僅僅是計(jì)算出真北方位角按照天線方位角對準(zhǔn)就行,要考慮磁偏角的影響,要以計(jì)算的理論接收電平作為天線對準(zhǔn)的判別準(zhǔn)則,這樣才能準(zhǔn)確地完成天線的工程對準(zhǔn)。此外,借助于全向天線或低增益天線容易實(shí)現(xiàn)定向天線的快速對準(zhǔn)。

[1]FransonCoordTranssoftware User Guide[S],2005:1-19.

[2]姚 言,梅順良,高葆新.數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社:1990:187-191.

[3]王心塵.磁偏角影響無線電側(cè)向結(jié)果的技術(shù)分析[J].中國無線電,2009(11):57-58.

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