短波通信頻率互易性分析與探討*

閆魯生,陳勁堯,白天明

(1.海軍裝備研究院,北京100036;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

短波通信頻率互易性分析與探討*

閆魯生1,陳勁堯2,白天明1

(1.海軍裝備研究院,北京100036;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

文中針對短波通信聯(lián)絡(luò)中存在通信頻率單向通的問題,首先分析了影響電離層互易性的因素;然后采用ITS仿真軟件進(jìn)行了不同距離和不同方向的雙向鏈路仿真。仿真結(jié)果表明同一通信頻率在雙向鏈路的傳播模式、仰角、電離層反射高度完全一致,并分析了原因;最后在介紹了短波天波鏈路場強(qiáng)預(yù)測方法的基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)發(fā)射功率、天線、本地噪聲等各種影響因素,得出不同條件下短波通信頻率互易性的結(jié)論。

短波 通信頻率 互易性 電離層

0 引 言

在短波通信實(shí)驗(yàn)及通信聯(lián)絡(luò)中,特別是短波遠(yuǎn)距離通信時,可能遇到某些頻率只能單向通信的情況,甚至難以找到雙向可通的頻率,導(dǎo)致通信雙方必須異頻聯(lián)絡(luò),增加了短波通信的難度以及短波通信系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。

本文試圖從電離層電波傳播互易性及其他影響短波通信頻率互易性的因素進(jìn)行分析,探討短波通信頻率單向通的主要原因及影響因素。

1 影響短波通信頻率互易性的因素

互易性是指將系統(tǒng)的輸入和特定輸出互換位置后,輸出不因這種換位而有所改變?；ヒ仔栽谝恍┚W(wǎng)絡(luò)、聲學(xué)系統(tǒng)、力學(xué)系統(tǒng)中都存在。短波通信頻率互易性表現(xiàn)在通信雙方使用相同的頻率時,如果一個方向可通,則反方向也應(yīng)可通。

短波通信頻率互易性主要受地磁場對電離層的作用、傳播模式和天線參數(shù)等因素影響。

(1)地磁場對電離層的作用

電磁場具備互易性規(guī)律,其激勵和響應(yīng)存在互易關(guān)系。

但是,電離層作為一種特殊的電磁場,由于地球磁場的作用而成為各向異性介質(zhì),不能完全滿足互易性所需的條件。因此,對于采用電離層天波傳播的短波通信系統(tǒng)來說,其互易性會受到地磁場對電離層作用的影響。

地磁場對電離層的影響主要是使電波產(chǎn)生射線偏移,文獻(xiàn)[1]的研究表明,地磁場將使電離層電波射線產(chǎn)生0～2.5°的側(cè)向方位角偏移,仰角越高受地磁場影響越大,仰角越低影響越小[1]。

在短波通信中,以方向性較強(qiáng)的對數(shù)周期天線為例,其半功率波瓣寬度約為40°左右,與0～2.5°的偏移相比要大得多。因此,可以認(rèn)為地磁場導(dǎo)致的射線偏移會對短波通信頻率互易性造成一定影響,但影響較小。

(2)傳播模式和天線參數(shù)的影響

短波天波主要靠電離層反射,電離層是分層、不均勻、時變的媒介[2],電離層由于電子濃度變化等原因會產(chǎn)生傾斜,而電離層傾斜和電波發(fā)射的仰角不同則會導(dǎo)致短波的天波傳播具有多種傳播模式。

電離層傾斜按照其形態(tài)和起因可分為隨機(jī)傾斜和系統(tǒng)傾斜,前者主要由行擾和外來輻射源的突變造成,規(guī)模和時間很不規(guī)則,其影響通常比系統(tǒng)傾斜大,但區(qū)域小、時間短;系統(tǒng)傾斜最顯著的表現(xiàn)是日出、日落時電子濃度變化和磁赤道兩側(cè)電子濃度隨緯度的起伏[3]。

電離層傾斜導(dǎo)致電離層等電子濃度面不再是平面或球面,使得經(jīng)過它反射后的電波超越地球凸面,不著地第二次進(jìn)入電離層,在地球上方多跳傳播,當(dāng)碰到足夠大的反向傾斜電離層后又回到地面[3]。圖1顯示了沒有電離層傾斜時的理想傳播模式,圖2顯示了有電離層傾斜時的幾種典型傳播模式。

圖1 理想傳播模式Fig.1 Ideal propagation mode

圖2 幾種典型的傳播模式Fig.2 Some typical propagation modes

可以看出,當(dāng)傳播模式不同時,A、B兩點(diǎn)之間的距離可能會相差很遠(yuǎn)。

設(shè)想一下,A點(diǎn)和B點(diǎn)的天線不同(這在實(shí)際的短波通信中經(jīng)常發(fā)生),其發(fā)射仰角也不同,導(dǎo)致從A到B和從B到A的電波傳播模式不同,則雙向通信將有很大的可能性不具備頻率互易性。

(3)其它影響因素

此外,電離層還受到太陽活動(太陽黑子數(shù)、太陽耀斑等)、地磁擾動、行波擾動、電離層不均勻體、電離層電子濃度不均勻性等各種因素的影響,這些因素均可能影響到電離層電波傳播的互易性。

2 短波頻率互易性仿真及實(shí)驗(yàn)研究

(1)短波通信頻率互易性仿真分析

美國Institute for Telecommunication Sciences開發(fā)的、用于預(yù)測2～30 MHz短波頻段通信性能的ITS軟件,是當(dāng)今用于短波覆蓋計算和短波鏈路性能計算最為廣泛的仿真軟件和計算方法,其可靠性已經(jīng)得到了全球大量實(shí)際計算和運(yùn)用的證明。

采用ITS軟件中的VOACAP模塊的方法25對跨時區(qū)與跨赤道兩種遠(yuǎn)距離鏈路進(jìn)行仿真。

跨時區(qū)遠(yuǎn)距離鏈路仿真的條件如下。

時間:2014年6月。

地點(diǎn):北緯40°,東經(jīng)86°與北緯40°,東經(jīng)167°之間。

頻率:15.4 MHz。

ITS軟件將計算出一天中每一個整點(diǎn)的主要傳播模式和相應(yīng)的仰角、反射高度、信噪比等結(jié)果。由于仿真結(jié)果十分龐大,這里僅列出世界時(UT)為5點(diǎn)時的幾種主要傳播模式和相應(yīng)仿真結(jié)果,如表1所示。

表1 跨時區(qū)鏈路仿真結(jié)果Table 1 Simulation result of cross-time zone link

跨赤道遠(yuǎn)距離鏈路仿真的條件如下。

時間:2014年6月。

地點(diǎn):北緯30°,東經(jīng)86°與南緯30°,東經(jīng)86°之間。

頻率:11.9 MHz。

這里同樣只列出世界時(UT)為2點(diǎn)時的幾種主要傳播模式及相應(yīng)仿真結(jié)果,如表2所示。

表2 跨赤道鏈路仿真結(jié)果Table 2 Simulation result of cross-equator link

可以看出,不管是跨時區(qū)還是跨赤道的雙向短波鏈路,在相同的時間和傳播模式下,其發(fā)射仰角、反射高度和信噪比等基本相同。更多針對不同通信距離、不同鏈路方向、不同頻率、不同時間的仿真結(jié)果相同。仿真結(jié)果表明,在忽略了地磁場等次要影響因素,采用電離層短波射線追蹤及鏡面反射模型的條件下,電離層的電波傳播具有互易性。

(2)關(guān)于電離層互易性的實(shí)驗(yàn)研究

盡管電離層受到很多因素影響,使得互易性定理不能完全適用于電離層電波傳播。但有關(guān)研究及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,從統(tǒng)計意義上看,電離層的互易性在一定條件下仍然成立。文獻(xiàn)4分析了在(30°32′N, 114°21′E)和(18°8′N,110°31′)兩點(diǎn)之間進(jìn)行的雙向電離層斜向探測實(shí)驗(yàn),該次實(shí)驗(yàn)在兩點(diǎn)使用了完全相同的電離層斜向探測雷達(dá)(天線同為水平極化對數(shù)周期天線、兩點(diǎn)的輸出功率同為100 W),進(jìn)行了定頻和掃頻兩種模式的互發(fā)互收探測。試驗(yàn)結(jié)果表明兩點(diǎn)間短波鏈路的電波傳播群時延以及反映電離層運(yùn)動的多普勒具有較好的互易性[4]。此外,文獻(xiàn)[5]通過對寬帶雙向斜探測實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)電離層存在互易性的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的60%以上,在一定程度上說明電離層短波信道在統(tǒng)計意義上具有互易性,是大概率事件[5]。

盡管仿真和實(shí)驗(yàn)表明短波通信的頻率互易性是大概率事件,但在實(shí)際應(yīng)用中仍然時常出現(xiàn)頻率單向通的情況,分析其主要原因如下:

1)如前所述,由于通信雙方的天線等參數(shù)不同,導(dǎo)致雙向的傳播模式不同而產(chǎn)生單向通的情況。

2)通信雙方的發(fā)射功率、本地噪聲等不同,使得兩地的接收場強(qiáng)不同,導(dǎo)致單向通。

下面將對短波天波傳播時,影響接收場強(qiáng)的主要因素進(jìn)行分析。

3 短波天波鏈路場強(qiáng)預(yù)測

無線通信必須滿足接收場強(qiáng)達(dá)到接收機(jī)靈敏度要求,對鏈路接收場強(qiáng)的預(yù)測與計算也是分析短波通信頻率互易性的基礎(chǔ)。

(1)天波傳播損耗預(yù)測

電波在整個天波傳播過程中所引起的傳播損耗Lb包括自由空間傳輸損耗Lf,電離層吸收損耗La,地面反射損耗Lg和附加損耗Y等。

可以看出,傳播損耗是工作頻率、傳播模式、通信距離、通信地點(diǎn)和時間的函數(shù)。自由空間傳輸損耗:

其中,f為電波頻率(MHz);d為有效傳播距離(km)。

電離層吸收損耗La主要發(fā)生在D層,與電波傳播路徑中的電子濃度N、碰撞率v、地磁場強(qiáng)度以及電波頻率等因素有關(guān),而上述參數(shù)難以準(zhǔn)確估計,工程計算中常采用半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算和預(yù)測。

其中,φ為在100 km高處的入射角;f為工作頻率(MHz);fH為在100 km高處的磁旋頻率(MHz);I為吸收指數(shù);n為路徑的跳數(shù)。

地面反射損耗Lg指電離層反射回到地面的電波,再由地面反射時發(fā)生的損耗,這種損耗只發(fā)生在兩跳以上的傳播模式中。其與電波的極化、頻率、射線仰角以及地質(zhì)情況等因素有關(guān)。由于電波經(jīng)電離層反射后極化面旋轉(zhuǎn)且隨機(jī)變化,入射地面時的電波是雜亂極化的,因此嚴(yán)格計算Lg比較困難,工程上采用圓極化波進(jìn)行計算。

假設(shè)輻射的電波是隨機(jī)極化,則無線電能量等量分布于水平極化場和垂直極化場。

其中,Rv為垂直極化波的反射系數(shù);Rh為水平極化波的反射系數(shù)。

附加損耗指上述以外的其它各項(xiàng)損耗,如電離層的散焦效應(yīng)、Es層附加損耗、電波極化損耗、極圈損耗以及傳播方向偏離大圓弧方向等的損耗。附加損耗一般定量計算比較困難,通常采用綜合估計值,即利用大量電路實(shí)測天波傳播損耗數(shù)據(jù),減去自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗后得到,參考相關(guān)資料和工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),一般附加損耗取值5 dB左右[6]。

(2)接收場強(qiáng)預(yù)測

短波天波傳播的接收場強(qiáng)的計算公式如下:

其中,f為電波頻率(MHz);Pt為發(fā)射機(jī)天線輸入端的功率(dBW);Gt為發(fā)射天線增益;Lb為傳播損耗。

綜合(1)、(2)可以看出,短波天波傳輸?shù)慕邮請鰪?qiáng)主要受通信頻率、發(fā)射功率、發(fā)射天線、通信距離、傳播模式等因素影響。短波雙向通信鏈路在通信頻率、發(fā)射功率、天線完全對稱的情況下,其雙向接收場強(qiáng)均取決于傳播損耗,即傳播模式。可以看出,如果傳播模式相同,短波通信頻率具有互易性。

4 結(jié) 語

本文分析了影響短波通信頻率互易性的各種因素,指出具體短波鏈路通信頻率的互易性主要受到電離層互易性、傳播模式、發(fā)射功率及本地噪聲等因素的影響。從有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果分析,統(tǒng)計上看短波通信頻率互易性具有較大概率,同時指出傳播模式(主要由天線類型、仰角等決定)對短波通信頻率互易性的影響較大,對短波通信系統(tǒng)的設(shè)計有一定的參考意義。

由于影響電離層的因素很多,本文引用的文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,有待更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支撐電離層在統(tǒng)計意義上具有互易性這一結(jié)論,特別是電離層互易性的概率分布需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

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YAN Lu-sheng(1959-),male,M.Sci., research fellow,majoring in communication and information system.

陳勁堯(1978—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò);

CHEN Jin-yao(1978-),male,M.Sci.,engineer,majoring in wireless network.

白天明(1980—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

Bai Tian-ming(1980-),male,M.Sci.,engineer,majoring in electronic engineering.

Analysis and Discussion on Reciprocity of HF Communication Frequency

YAN Lu-sheng1,CHEN Jin-yao2,BAI Tian-ming1
(1.Naval Academy for Armament,Beijing,100036,China;2.No.30 Institute of CETC,Sichuan Chengdu 610041,China)

Aiming at the frequency unidirectional problem in HF communication,some factors affecting the reciprocity of ionosphere are firstly analyzed,then the bidirectional HF link in different distances and directions is simulated via the ITS software.Simulation results indicate that the propagation mode,elevation and ionosphere reflecting height of the same communication frequency in bidirectional HF link are completely consistent,and the reasons are also analyzed.Finally,based on the introduction of prediction method for HF sky-wave field strength,this paper discusses some influence factors such as system transmitting power,antenna and local noise,thus proposes a conclusion on HF frequency reciprocity in different conditions.

HF;communication frequency;reciprocity;ionosphere

TN918

A

1002-0802(2014)11-1309-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.014

閆魯生(1959—),男,碩士,研究員,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);

2014-09-10;

2014-10-10 Received date：2014-09-10;Revised date：2014-10-10