超短波通信距離淺析

摘 要：本文分析了超短波的傳播特點，以及影響機載超短波電臺通信距離的相關因素；并從理論和工程應用兩方面對超短通信距離加以分析。希望能為工程應用人員，在超短波通信設備的實際應用過程中提供幫助。

關鍵詞：超短波傳播特性 影響因素 傳播距離

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0102-02

超短波通信：利用超短波頻段的無線電波傳送信息的無線電通信。超短波波段的波長范圍為10～1 m，對應的頻率范圍為30～300 MHz，為甚高頻（VHF）頻段，故又叫甚高頻通信。由于微波低端的特高頻（UHF）中300～1000 MHz這部分頻段的傳播特點及應用范圍與VHF大致相同，因此廣義的超短波通信的頻段范圍包括VHF全部頻段和UHF低端部分頻段。超短波傳播主要靠空間波直線傳播，也有一定的繞射能力，但隨著波長的縮短，繞射能力越來越微弱，因此在這一波段中的通信主要是視距范圍內空/空、空/地話音和數(shù)據(jù)的傳輸。

1 超短波的傳播特性

超短波與短波傳播不同，無電離層反射，通常也稱為視距傳播。所謂視距傳播就是對那些地波傳播能力很弱，天波又基本不存在的電波的傳播方式。視距是接收和發(fā)射兩點之間處在可視范圍之間，能互相“看見”的距離。如圖1所示。

這種傳播方式的特點是：地面衰減大、無天波，信號基本上按直線傳播；其頻率傳輸特性上與短波有很大差別，由于頻率較高，發(fā)射的天波一般將穿透電離層射向太空，而不能被電離層反射回地面，所以主要依靠空間直射波傳播（只有有限的繞射能力）。像光線一樣，傳播距離不僅受視距的限制，還要受高山和高大建筑物的影響。用于地面通信時：如架設幾百米高的電視塔，服務半徑最大也只能達150 km左右。要想傳播的更遠，就必須依靠中繼站轉發(fā)或者將其發(fā)射天線和接受天線都架設的足夠高；而用于空地通信時：由于電臺和天線隨飛機的高度升高而升高，受地物影響較小，可以傳播的更遠。

2 影響超短波通信距離的因素

影響超短波通信距離和效果的因素有以下幾個方面。

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

（1）受發(fā)射機輸出功率越強，發(fā)射信號的覆蓋范圍越大，通信距離也就越遠；但發(fā)射功率也不能過大，發(fā)射功率過大不僅耗電，而且影響功放元器件的壽命，同時干擾性強，影響他人的通話效果，還會產生輻射污染。

（2）在發(fā)射功率一定的情況下：接收機的接收靈敏度越高，通信距離就越遠。

（3）天線的增益在天線與機器匹配時：通常情況下，天線高度增高接收或發(fā)射能力增強。

2.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素主要有路徑、樹木的密度、周圍環(huán)境的電磁干擾、建筑物、天氣情況和地形差別以及地球曲率半徑等，這些因素和其它一些參數(shù)直接影響信號的場強和覆蓋范圍，進而影響超短波通信距離。

2.3 其它影響因素

（1）電池容量不足：當電池容量不足時，電源電流不能正常提供，功率變??；嚴重時發(fā)射信噪比變小，誤碼率變高，影響正常通信。

（2）天線不匹配：天線的頻段和機器頻段不一致或天線阻抗不匹配時，均會嚴重影響超短波的通信距離。

3 超短波通信距離的工程估算

超短波的通信距離決定于天線的增益、高度，發(fā)射機輸出功率、接收機靈敏度、電磁環(huán)境及有無障礙物等因素影響。下面我們通過一些公式可以大致算出預定通信系統(tǒng)的通信距離。

本質上超短波頻段的無線傳輸屬于視距傳輸，在理想情況下（即：發(fā)射機功率足夠大，接收機靈敏度足夠高，視野開闊無障礙物、山地丘陵等地理因素的影響）其傳輸極限距離可以用下面的公式表示：

式中：d為距離，單位為米；hr、ht分別為收、發(fā)信機的天線高度，單位為米。在實際情況下，電波在直射傳播的路徑上可能存在山丘、建筑物等障礙物，由這些障礙物引起的附加衰耗（除了自由空間傳播衰耗外），稱為繞射衰耗。由于存在繞射衰耗及多徑反射衰落，實際上的通信距離只是極限距離d的幾分之一。

同時還存在超過極限距離的地方也能收到較強信號，這種現(xiàn)象稱為超視距傳播。存在這種現(xiàn)象的原因是大氣對電磁波折射造成的，統(tǒng)稱為超視距的傳播距離可以用以下的公式表示：

式中：d為距離，單位為米；hr、ht分別為收、發(fā)信機天線的高度，單位為m。

4 超短波通信距離理論計算

在電臺的各種指標均足夠滿足要求（發(fā)射機的發(fā)射功率足夠大，接收機靈敏度足夠高）的情況下：僅考慮地球的曲率半徑，發(fā)射天線和接收天線的影響時：如下圖2所示，電臺的通信距離：

其中：R為地球的曲率半徑≈6.371×106 m，hr、ht分別為收發(fā)天線離地面的實際高度）。假設：ht=hr=1 m，則d≈226 km。

對于在公式（1）得出的通信距離以內，通信系統(tǒng)能否有效工作，主要取決于系統(tǒng)接收設備的接收功率能否滿足系統(tǒng)正常工作的最低要求。接收系統(tǒng)的接收功率可用以下式表示：

式中：Pt為發(fā)射功率（w）；gr為接收天線增益；gt為發(fā)射天線增益；h1=（ht2+h02）1/2，h2=（hr2+h02）1/2天線高度（m）；hr、ht為分別為收發(fā)天線的實際高度；h0為最小有效天線高度，在300 MHz以上通?？梢院雎?。根據(jù)發(fā)射功率的大小計算出來的接收功率的數(shù)值即可計算出傳播衰耗。此種衰耗可以理解為是由于輻射能量的擴散引起的衰耗，而不是由于受到阻抗、反射、折射、繞射、吸收等原因而產生的衰耗，工程上此類衰耗可用下式計算后得到。

由公式（3）和（5）即可推算出超短波理論上通信距離d值的大小。

5 舉例說明

假如兩部相同的電臺其參數(shù)如下：工作于108～400 MHz頻段，天線的長度大概為0.5 m，天線的有效高度為1.5 m；天線的增益大約為0dBi（-2.15 dBd）左右；發(fā)射功率為15 W；接收靈敏度約為3 μV。

解：首先進行單位換算，假設接收機負載為50 Ω，3 μV換算成dB uv表示為 9.5 dBuv，然后轉換成，分貝毫瓦 dB m表示，結果為-97.45 dBm，把15 W換成分貝毫瓦dBm表示結果就是41.76 dBm；接收機要接收到信號所允許的最大損耗為41.76-（-97.45）為133.51。

利用公式（4）推導出最大傳輸距離和最小傳輸距離，取最大工作頻率400 MHz計算，dmin=10（133.51-32.45-20lg400） /20=281 km，取最小工作頻率108MHz計算，dmin=10（133.51-32.45-20lg108）/20=1000 km。

一般理論計算按傳播用公式（2），若是天線高度為0.5m，假設都樹立在地面上，其傳播距離為5.8 km；方式為空地通信，地面天線為15 m，飛行高度為10000 m，理論最大通信距離為：

km。

在同等條件下取公式（4）、（5）推導出的值和公式（2）的值，兩者的最小值；若通信頻率為400 MHz，其最大通信距離就為281 km。

實際上通信不僅包含固有損耗也包括收發(fā)機各種饋線之間的損耗，通信距離肯定小于理論通信距離。

6 結語

超短波以其優(yōu)越的傳輸性能，在民用領域發(fā)揮著重要作用，更是軍事通信的主要模式手段之一。信息技術的蓬勃發(fā)展，推動著通信領域產生翻天覆地的變化，致使超短波通信的發(fā)展日新月異；無論是交通、公安、消防、防汛等領域，均用超短通信設備的大量應用，超短波通信早已遍及我們的生活。

由于超短波通信設備的廣泛應用，伴隨著設備出現(xiàn)的故障也層出不窮，其中大多數(shù)故障涉及通信距離問題。本文從超短波信號的傳播特點入手，分析了影響機載超短波電臺通信距離的相關因素；并從理論和工程估算兩方面對超短通信距離加以推理、分析。希望能為工程人員，在應用過程中遇到超短波通信距離問題時為其提供參考和幫助。

參考文獻

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