淺談海岸電臺(tái)發(fā)射信號(hào)能量的合理布局與天線程式的理想化選擇

楊曉勤

摘 要：本文結(jié)合船岸短波通信的特點(diǎn)，對(duì)岸臺(tái)的通信覆蓋區(qū)域和發(fā)射天線的方向圖特性做了分析，提出了岸臺(tái)發(fā)射天線程式的理想化選擇方案，最后描述了對(duì)未來(lái)岸船短波通信模式的展望。

關(guān)鍵詞：短波通信 天線 布局 理想化

1.引言

海岸電臺(tái)與船舶電臺(tái)之間的通信，是一種中心點(diǎn)與游離點(diǎn)之間的“一點(diǎn)”對(duì)“多點(diǎn)”的通信。其特點(diǎn)類(lèi)似太陽(yáng)光散射，這種“中心散射分布式”通信的功能結(jié)構(gòu)，最大特點(diǎn)是中心點(diǎn)周?chē)S著離開(kāi)中心的徑向距離不同，其能量的徑向分布具有不均等性。隨著離開(kāi)距離的增大，信號(hào)能量分布密度呈平方倍變小，岸臺(tái)發(fā)射信號(hào)能量的分布密度呈平方倍變小，隨著船臺(tái)與岸臺(tái)之間徑向距離的增大，岸船間的通信效果也不同。這就要求海岸電臺(tái)對(duì)其發(fā)射信號(hào)的覆蓋區(qū)間的能量分布作出合理的安排，并以此為基礎(chǔ)選用理想化的發(fā)射天線。

2.海岸電臺(tái)短波發(fā)射能量分布區(qū)間的合理安排

由于海岸電臺(tái)發(fā)射能量對(duì)遠(yuǎn)近距離存在不均勻性，要求海岸電臺(tái)必須能夠在發(fā)射能量時(shí)針對(duì)遠(yuǎn)近區(qū)間作出不同的能量分布。如果把海岸電臺(tái)通信分布區(qū)間比作剛剛盛開(kāi)的“向日葵之花盤(pán)”的話，“向日葵花盤(pán)中心園形區(qū)間”代表“近洋通信”區(qū)間，“向日葵各個(gè)花瓣區(qū)間”各代表一個(gè)“遠(yuǎn)洋通信”區(qū)間。這里可以假設(shè)按每一個(gè)“遠(yuǎn)洋區(qū)間”與位于中心的“近洋區(qū)間”作相同面積大小規(guī)劃。再考慮到短波天線在設(shè)置“遠(yuǎn)洋”與“近洋”通信區(qū)間覆蓋時(shí)會(huì)有一定的交疊性，即近洋天線通信覆蓋往往會(huì)溢界到遠(yuǎn)洋范圍，而遠(yuǎn)洋天線的通信覆蓋也會(huì)在區(qū)遠(yuǎn)洋之前過(guò)境近洋覆蓋區(qū)間局部位置。因此，與其說(shuō)近洋與遠(yuǎn)洋天線的通信覆蓋象“向日葵花盤(pán)”分布狀，還不如說(shuō)它們兩者好像是一朵喇叭花和一朵大玫瑰花上下雙層交疊在一起，只不過(guò)論喇叭花面積與一個(gè)個(gè)花瓣面積，兩者大體相當(dāng)而已。

在天線的方向圖中，這分別指的是近洋通信天線水平方向圖的“圓形”全向圖，與遠(yuǎn)洋通信定向天線水平方向圖的“單個(gè)花瓣形”偏向圖。需要指出的是短波傳播是通過(guò)天波反射傳播的，其覆蓋區(qū)有“一跳區(qū)”、“二跳區(qū)”，在功率大、天線好、電離層適宜時(shí)還會(huì)有“三跳區(qū)”。因此“花瓣”前沿能擴(kuò)展到多大，還要依天線的垂直面方向圖性能確定。

考慮到船舶在海洋中實(shí)際航行密度的分布特性，遠(yuǎn)洋通信區(qū)間的安排最多只要六個(gè)區(qū)間即可。即：直布羅陀海峽方向、西非方向、澳洲方向、北美、加勒比?；蚰厦婪较?、北極方向等。這些方向由于距離遠(yuǎn)近的層次不同，又可以根據(jù)遠(yuǎn)近將它們排隊(duì)，針對(duì)其中最遠(yuǎn)的方向給以安排使用最高的工作頻率，其余類(lèi)推可以得出最低的遠(yuǎn)洋通信工作頻率所對(duì)方向指向何方。

從短波通信長(zhǎng)期實(shí)踐來(lái)看，短波4—13MHz中低頻段適宜近洋通信（該段頻率的天線水平面方向圖可以做到近似于圓形的全向型），而14—22MHz的高頻段更適宜遠(yuǎn)洋通信。因?yàn)樵诟哳l段情況下，原來(lái)低增益的全向天線的水平方向圖的“圓形”圖會(huì)演變?yōu)樵鲆娌⒉桓叩摹盁炄边呅巍眻D。這將即喪失了近洋天線的全向特性（本身增益較低），也未能達(dá)到定向天線的高增益特性要求。鑒于此，不如放棄天線的全向性，將增益全部集中到遠(yuǎn)距離方向，采用使某個(gè)方向高增益其余方向無(wú)增益的定向天線技術(shù)。

3.海岸電臺(tái)短波發(fā)射天線的理想程式

要確定海岸電臺(tái)短波發(fā)射天線的理想程式，應(yīng)首先將通信覆蓋區(qū)劃分為近洋與遠(yuǎn)洋兩種區(qū)間，然后再考慮如何使通信在各區(qū)間達(dá)到理想狀況。

由上所知，近洋通信要求短波天線的水平方向圖最好是一個(gè)“圓形”，而未涉及的垂直方向圖則最好是一個(gè)“半圓形”。遠(yuǎn)洋通信則從根本上改變了近洋天線方向圖的那種全方向特性，使得天線除了固定方向有增益外，其余方向的增益大大縮小甚至為零。這也就是定向天線的特性。

定向天線的理想方向圖，其水平方向圖呈“圓潤(rùn)水滴形”，它代表天線在方位角作連續(xù)變時(shí)天線增益幅度變化的保持狀況。垂直方向圖呈“飽滿鯨魚(yú)頭形”。它代表天線在仰角作連續(xù)變化時(shí)天線增益幅度的保持狀況。這兩種形狀圖的遠(yuǎn)端沒(méi)有凹陷缺口出現(xiàn)，說(shuō)明天線增益特性在水平面或垂直面各自隨角度變化的過(guò)渡性相當(dāng)平穩(wěn)。一般說(shuō)來(lái)，大多數(shù)定向天線容易滿足水平方向圖要求的這種飽滿平滑特性，不易滿足垂直方向圖要求的這一特性。而天線垂直方向圖的不同仰角代表著不同的通信距離，通信仰角越小，無(wú)線電波經(jīng)電離層反射距離就越遠(yuǎn)。通信仰角連續(xù)變化時(shí)，若天線增益處處能保持一致強(qiáng)度作對(duì)應(yīng)連續(xù)變化，這意味著通信信號(hào)在遠(yuǎn)距離以近的方向覆蓋無(wú)盲點(diǎn)。在此通信區(qū)間，船岸通信效果將大大改善。因此，垂直方向圖的特性好壞主要地決定了遠(yuǎn)洋通信的特性好壞。

船舶在海洋中所作的任何方向的運(yùn)動(dòng)，都可以等效分解為以岸臺(tái)為中心的圓周運(yùn)動(dòng)和離開(kāi)原點(diǎn)在半徑方向上所做的徑向運(yùn)動(dòng)。可以確定，圓周運(yùn)動(dòng)可以由天線的水平方向圖與之對(duì)應(yīng)，徑向運(yùn)動(dòng)可以由垂直方向圖與之對(duì)應(yīng)。對(duì)于近洋通信來(lái)講，滿足兩者都應(yīng)不成問(wèn)題。而對(duì)于遠(yuǎn)洋通信來(lái)說(shuō)，天線的水平方向圖欲呈“水滴形”雖不會(huì)成為大問(wèn)題，但要其天線垂直方向呈較理想的“鯨魚(yú)頭形”，同時(shí)還要天線達(dá)到定向高增益就有點(diǎn)問(wèn)題了。例如一般的垂直型天線，其垂直方向圖雖非“鯨魚(yú)頭形”，但也是不錯(cuò)的“半球蓋地形”，然而其低增益特性又是無(wú)法滿足定向天線的高增益要求的。由此也可以看出，垂直方向圖的這一特性也成為制約遠(yuǎn)洋通信效果好壞的“主要矛盾”。

也許有人會(huì)說(shuō)，對(duì)于在徑向距離上作遠(yuǎn)近移動(dòng)的船舶要與岸臺(tái)通信來(lái)講，通過(guò)改變頻率也可以改變仰角從而可以達(dá)到滿足徑向距離上遠(yuǎn)近距離通信區(qū)間覆蓋的目的。而事實(shí)上，海岸電臺(tái)的固定頻率通信模式中，靠改變頻率來(lái)改變仰角以達(dá)到對(duì)遠(yuǎn)近距離的連續(xù)覆蓋，只是長(zhǎng)期以來(lái)人們的一種錯(cuò)覺(jué)性愿望而已。這就是說(shuō)，船臺(tái)、岸臺(tái)所處的位置，決定了遠(yuǎn)洋通信需要重點(diǎn)關(guān)注定向天線自身垂直方向圖中“仰角-增益”成對(duì)連續(xù)變化的增益“保持性過(guò)渡”問(wèn)題。

目前，我們常用的大多數(shù)高增益定向天線并非很理想。比如：同相水平、水平八木、水平對(duì)數(shù)周期等高增益定向天線，其垂直方向圖不是“多瓣形半朵花形”，就是“多手指張開(kāi)形”。這些天線在垂直方向圖上仰角從小到大連續(xù)變化時(shí)，天線增益不能連續(xù)保持一定強(qiáng)度過(guò)渡的增益分布特性，對(duì)海岸電臺(tái)實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)到近連續(xù)距離上連續(xù)覆蓋造成了眾多缺陷，即只能做到稀疏的“點(diǎn)式”覆蓋。這是一種有比較嚴(yán)重缺陷的通信模式。

在通信工作實(shí)踐中，近洋通信全向天線中，扇錐天線是一種基本滿足從水平方向圖的“準(zhǔn)圓形”，與從垂直方向圖的“準(zhǔn)半圓形”看來(lái)都較接近理想的天線。而對(duì)于遠(yuǎn)洋通信來(lái)講，垂直對(duì)數(shù)周期天線（單極式）則具有以上所述的重要特性，是比較理想的遠(yuǎn)洋通信天線。例如，它在具備較理想垂直方向圖特性的同時(shí)，還具有定向的高增益性（增益至少7DB，甚或11DB）。而且，天線這種高增益性呈現(xiàn)遠(yuǎn)近距離非線性補(bǔ)償。從天線垂直方向圖上也可以看出，仰角越低，則增益越高，這意味著“仰角低”所對(duì)應(yīng)“遠(yuǎn)距離”得到天線“高增益”反向補(bǔ)償。這種對(duì)岸臺(tái)發(fā)射能量隨遠(yuǎn)距離散射衰減特性的相反性補(bǔ)償是非常難得的。對(duì)于追求增大高頻段輻射能量來(lái)說(shuō)，盡管可以通過(guò)人為安排增加高頻段發(fā)信機(jī)的功率來(lái)部分解決，但是發(fā)信機(jī)功率一旦確定后，能對(duì)徑向從遠(yuǎn)到近連續(xù)距離全覆蓋實(shí)現(xiàn)反向補(bǔ)償?shù)?，就只有天線方向圖自己的增益特性了。

4.對(duì)未來(lái)岸船短波通信模式的展望

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自適應(yīng)通信技術(shù)的滲透應(yīng)用，海岸電臺(tái)的建設(shè)將從傳統(tǒng)的三址式（即中控臺(tái)、發(fā)信臺(tái)、收信臺(tái)分開(kāi)）改為多地址式（一個(gè)中控臺(tái)，多個(gè)發(fā)信臺(tái)，多個(gè)收信臺(tái)），設(shè)備的遠(yuǎn)程控制模式將從傳統(tǒng)的四線音頻方式改為IP組網(wǎng)控制方式，形成局域網(wǎng)。各大海岸電臺(tái)也將采用IP聯(lián)網(wǎng)形式，形成互聯(lián)互通、互相調(diào)用的廣域通信網(wǎng)路。岸船一對(duì)一的固定通信模式也將通過(guò)海岸電臺(tái)的改造而改變?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的岸船短波通信中，岸臺(tái)的收發(fā)地點(diǎn)、天線等設(shè)備的使用等，將由控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通信情況自動(dòng)調(diào)用。短波發(fā)信天線方向圖特性引起的通信覆蓋不足問(wèn)題，必將得到完美解決。endprint