直升機超短波通信鏈路分析

周文兵，陳志君

(1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.總參陸航研究所，北京 101121)

0 引言

通信鏈路分析的目的是根據(jù)通信距離等指標要求進行通信系統(tǒng)的指標分配，分析多部機載通信系統(tǒng)間的相應影響。超短波通信由于通信頻率較高，主要依靠直射波進行視距通信，且繞射能力差;超短波電臺的通信距離除受視距的限制之外，還受到電臺的接收靈敏度、發(fā)射功率、天線增益和分配器的插入損耗等一系列因素的制約，因此，要在有限的技術(shù)條件下經(jīng)濟簡約地實現(xiàn)通信距離的戰(zhàn)術(shù)要求，超短波通信鏈路指標的分配和相互干擾分析是較為關鍵的一環(huán)。本文主要通過對超短波通信鏈路的分析，得出直升機超短波通信鏈路模型;以實現(xiàn)超短波電臺通信距離要求為目標，分析通信鏈路中影響通信距離的各因素及影響程度，并根據(jù)直升機的實際情況，對機上多部超短波電臺的配置及與其他機載設備的電磁兼容性提出改善建議。

1 通信視距的計算

由于地球為球形，凸起的地表會遮擋兩個天線的視線。其視線所能達到的最大距離稱為視線距離(簡稱視距［1］)。見圖 1。

圖1 通信視距

式中:d0單位為千米(km);h1和 h2單位均為米(m)。

根據(jù)電磁波在不均勻介質(zhì)中的傳播理論:電波傳播時會受到大氣折射，使得電波在地球表面上空的傳播路徑沿地球表面而發(fā)生彎曲。實踐證明，電磁波頻率高于30MHz時，這種彎曲現(xiàn)象比較顯著。因此，當接收天線雖然在幾何視線距離之外，但仍然能有效地接收到信號，即實際通信距離大于幾何視線距離。

綜合考慮大氣折射的平均效應后，超短波傳播的有效視距［1］de可修正為:

根據(jù)幾何學原理可以得出視距d0為:

式中:de單位為千米(km);h1和 h2單位均為米(m)。

例，船上接收天線高40m，根據(jù)公式(2)可以計算出直升機在不同飛行高度下對應的理論有效視距及工程取值，見表1。

2 超短波通信距離影響因素分析

2.1 天線增益及其隔離度

天線增益及相互間的隔離度對超短波電臺的通信距離影響巨大。直升機上由于任務需要，經(jīng)常需安裝多部超短波電臺，每部電臺配裝1副機載天線或為便于天線布局采用復合天線(例，U/V段與L波段復合，兩頻段之間的隔離度要求至少35dB)。機載天線裝機后，由于機身對于電磁波的影響，造成天線方向性圖(或增益)產(chǎn)生相應的畸變，在計算通信距離時需根據(jù)機載天線裝機后實際輻射方向圖的畸變程度考慮進行相應補償。如天線隔離度過小，強發(fā)射信號可以使接收機處于非線性區(qū)工作，產(chǎn)生交調(diào)、互調(diào)、減敏等效應［2］;GJB6035-2001《甚高頻機載通信設備天線分系統(tǒng)通用規(guī)范》第3.9.8節(jié)要求，兩套甚高頻通信系統(tǒng)間天線之間的隔離度應不小于45dB［3］。結(jié)果合理的天線布局，直升機上配備的多套超短波通信系統(tǒng)天線間隔離度一般能滿足最小45dB的要求。圖2為某直升機上超短波天線間隔離度的實測數(shù)據(jù)。因此通信距離計算時可使用超短波電臺原始靈敏度指標，不需考慮減敏等效應。

圖2 某直升機超短波天線間隔離度

2.2 發(fā)射機載波對其他超短波接收系統(tǒng)的影響

一般接收機在干擾頻率偏離工作頻率±10%以外的隔離指標應達到80dBc以上［4］。例，某直升機超短波電臺最高靈敏度為-113dB，在電臺接收前端同時輸入一個靈敏度值的工作頻率信號和一個偏離工作頻率±10%的干擾信號時，在不影響靈敏度的情況下，允許進入電臺接收機前端的干擾信號幅度最大不能超過-33dBm。

如超短波天線間最小隔離度為45dB，收/發(fā)濾波器插損同為3dB且收/發(fā)饋線損耗分別為1.5dB/2dB，當使用75W(48.7dBm)大功率電臺發(fā)射時，同機其他超短波電臺接收到的信號強度為 -5.8 dBm，大于電臺降靈指標所允許的最大輸入電平-33dBm。為保證系統(tǒng)正常工作，須在接收機與天線之間增加共址濾波器，對接收機帶外信號進行加強抑制，并要求在中心頻率±10%時抑制度要大于27.2dB。

如使用機載復合天線(U/V段與L波段復用天線)，在L波段發(fā)射時會對超短波接收機產(chǎn)生影響。如L波段以最大功率200W(53dB)發(fā)射時，考慮到濾波器最少27.2dB的帶外抑制，天線U/V段與L波段之間的隔離度35dB，超短波接收機能接收到的信號為-9.2dBm，大于電臺降靈指標所允許輸入的最大電平-33dBm，故還需增加對L波段抑制至少23.8dB的濾波器。

2.3 寬帶噪聲對接收機靈敏度的影響

發(fā)射機寬帶噪聲達到一定水平時，會對共址工作的接收機靈敏度造成影響，降低接收機靈敏度。當進入接收機的寬帶噪聲電平比靈敏度電平低最少10dB時，基本上不會對接收機造成影響［4］。發(fā)射機寬帶噪聲對接收機的影響按照下面的方法計算:

其中:PRn為接收機收到的寬帶噪聲信號電平(dBm);PTn為發(fā)射機寬帶噪聲譜密度(dBm/Hz);BW為接收機中頻帶寬(Hz);L為天線隔離度。

兩部電臺工作頻率間隔大于10MHz，并且在非擴頻模式工作時，30W/75W型電臺發(fā)射機寬帶噪聲譜密度PTn=-100dBm/Hz;BW按工作模式不同分別取38kHz(窄帶);天線隔離度不小于45dB;可計算出此時落入話音電臺接收機帶內(nèi)的寬帶噪聲信號電平為:

電臺在FM狀態(tài)下輸出信噪比10dB時，靈敏度低于-113dBm，而當兩部電臺同時工作時，落入到話臺帶內(nèi)的最小寬帶噪聲電平比靈敏度電平高出13.8dB，影響了電臺的接收。電臺在其他工作模式下對濾波器的要求同理計算。

數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)射機到天線口之間加裝的共址濾波器須對寬帶噪聲有至少20dB的抑制才能保證通信系統(tǒng)的基本正常工作。

2.4 通信鏈路模型

根據(jù)對直升機機載超短波鏈路從信源到信宿的完整通信過程及與其他機載設備的干擾分析，可得通用直升機通信鏈路簡化模型，如圖3所示。

圖3 超短波通信鏈路簡化模型

根據(jù)電波傳播理論［1］，處于無遮擋視距范圍內(nèi)的接收天線所能接收到的最大場強Er為:

考慮信源到信宿的超短波全鏈路通信模型，在收/發(fā)電臺間的計算公式可修改為:

式中:PR為接收機靈敏度，單位為dBmW;PT為發(fā)射機功率，單位為dBmW;d為通信距離，單位為km;f為工作頻率，單位為MHz;LT為發(fā)射機上饋線損耗，單位為dB;LR為接收機上饋線損耗，單位為dB;GT為發(fā)射天線增益，單位為dB;GR為接收天線增益，單位為dB;LRXfilter為發(fā)濾波器插入損耗，單位為dB;LTXfilter為收濾波器插入損耗，單位為dB;C為衰減因子和環(huán)境噪聲，分別為3dB，共6dB，為估計值。

3 超短波電臺通信距離的計算

在暫不考慮直升機內(nèi)部電磁環(huán)境及其周圍復雜的電磁環(huán)境對超短波鏈路靈敏度的影響，UHF天線裝機后由反射面的大小、機身遮擋而引起的天線增益和方向性圖的變化，直升機飛行姿態(tài)對通信的影響等的情況下，影響通信距離的關鍵因素有:發(fā)射機功率、收/發(fā)多路耦合器插損、收/發(fā)防干擾濾波器插損、發(fā)射天線增益、自由空間損耗、接收天線增益、接收靈敏度等。

根據(jù)直升機超短波電臺具體工作模式(如AM、FM、DS、FH、MSK、TCM 等)，下電臺的發(fā)射功率和靈敏度指標，天線在V/UHF頻段實測增益，天線饋線損耗和收/發(fā)濾波器插損等可以計算出各工作模式下超短波電臺的通信距離。也可根據(jù)通信距離指標要求，對電臺功率、天線增益和濾波器插損等進行指標分配。某直升機TCM/FH調(diào)制模式下電臺通信距離計算結(jié)果(不考慮視距限制的情況下，通信系統(tǒng)電信號傳輸?shù)睦碚摼嚯x)見圖4。

圖4 TCM/FH調(diào)制模式下電臺的通信距離

4 提高超短波通信距離的途徑分析

根據(jù)圖3通信鏈路模型，有以下幾種方法可提高超短波電臺通信距離:

1)提高天線增益。由于天線對通信距離的影響非常關鍵，因此提高天線的增益是最有效的方式，包括:整體改善天線增益指標;根據(jù)傳播距離公式與頻率的關系，只針對不符合要求的部分頻段或頻點進行增益提高;同時，通過提高天線增益來提高通信距離的方式對直升機整體設計改動極小，包括電磁兼容設計方面。

2)提高接收機靈敏度。接收機敏感度提高后能到達提高通信距離的目的，但是另一方面也更容易受周圍電磁環(huán)境的干擾，易造成電磁兼容問題(易受敏感)，同時對鏈路中濾波器的要求提高。

3)加大發(fā)射機功率。增加發(fā)射極功率是改善通信距離非常有效的方式，不過隨著發(fā)射機功率的增大，可能引起對機上其他設備的電磁兼容問題(增加電磁輻射強度);另外，功率加大還可能引起散熱問題或耗能的增加等;并在安裝空間及重量上有所增加。

4)減少整個傳播鏈路上連接部位的插入損耗。此方式為有效的改進方式，對于通信距離的改善有一定的作用，主要是減少饋線損耗，各部件間連接頭插入損耗，濾波器損耗等。

直升機如配置多部電臺應根據(jù)各電臺執(zhí)行任務的差別，在滿足通信距離指標的前提下，充分考慮到設備重量、耗能、散熱、安裝空間、電磁兼容和備份能力等各方面的問題。

5 結(jié)論

根據(jù)本文超短波通信鏈路模型和分析方法:

1)在指定通信距離指標的前提下，可對鏈路中各環(huán)節(jié)指標進行詳細分配和相關作用關系計算;

2)應用于現(xiàn)有直升機通信鏈路系統(tǒng)的通信距離的預估;

3)從地面試驗和試飛結(jié)論中得到驗證，該通信模型可行，計算結(jié)論基本可靠，可用于工程設計。

［1］王元坤.電波傳播理論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［2］陳窮.電磁兼容性工程設計手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1993.

［3］GJB6035-2001，甚高頻機載通信設備天線分系統(tǒng)通用規(guī)范［S］.2001.

［4］李同泉.超短波通信常見無線電干擾特點及排查方法［J］.山西電子技術(shù)，2001(3).

［5］耿京朝，李艷斌.超短波電波傳播的分析與計算［J］.天線技術(shù)，2002(3).