天線對(duì)短波選頻的影響分析

彭愛華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

天線對(duì)短波選頻的影響分析

彭愛華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

頻率選擇問題是制約短波通信質(zhì)量的重要因素。理論分析了天線對(duì)短波通信質(zhì)量的影響，提出了短波選頻時(shí)考慮天線因素的方法，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了天線對(duì)短波通信質(zhì)量的影響，這對(duì)提升短波選頻的有效性具有一定的指導(dǎo)作用。

短波頻率選擇 短波通信質(zhì)量 天線 自適應(yīng)通信選頻

1 引言

短波通信以其通信距離遠(yuǎn)、抗毀能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在我國(guó)應(yīng)急搶險(xiǎn)、遠(yuǎn)洋護(hù)航、島嶼偵查等軍事行動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。短波通信主要是依靠電離層反射進(jìn)行的，而電離層的變化與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，且隨緯度、經(jīng)度、頻率、晝夜、季節(jié)、年而變化。在短波通信中，發(fā)射端發(fā)射電波，經(jīng)電離層反射后被接收端接收[1]。當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，短波電波會(huì)穿透電離層，不再返回地面，這個(gè)臨界頻率稱為最高可用頻率。電波在被電離層反射的同時(shí)也會(huì)被電離層吸收，當(dāng)頻率低到一定程度時(shí)，電波的能量全部被吸收，接收端不能收到信號(hào)，這個(gè)頻率稱為最低可用頻率。只有最低可用頻率和最高可用頻率之間的頻率才能進(jìn)行通信，因此頻率選擇問題一直是制約短波通信質(zhì)量的重要因素。目前大部分短波頻率管理系統(tǒng)的選頻策略主要考慮了電離層和環(huán)境噪聲的影響，而忽略了短波天線的影響[2-5]。本文從理論上分析了天線對(duì)短波通信質(zhì)量的影響，并通過(guò)建模仿真，驗(yàn)證了短波天線對(duì)短波頻率選擇的影響。

2 短波頻率選擇方法現(xiàn)狀

2.1 長(zhǎng)期頻率預(yù)測(cè)

短波通信是依靠電離層反射進(jìn)行的。電離層的變化與太陽(yáng)活動(dòng)相關(guān)，可以通過(guò)太陽(yáng)活動(dòng)變化的規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)短波通信頻率。國(guó)際電聯(lián)ITU-R P533建議書中給出了預(yù)測(cè)最高可用頻率和短波傳播損耗的計(jì)算模型，通過(guò)給定的太陽(yáng)黑子數(shù)、季度和時(shí)間，就可以得到通信鏈路的最高可用頻率。

但這個(gè)計(jì)算得到的最高可用頻率是基于太陽(yáng)黑子數(shù)月中值條件下的頻率[6]，與實(shí)際通信鏈路的最高可用頻率有較大誤差。因此長(zhǎng)期頻率預(yù)測(cè)只能粗略估計(jì)可通信頻段窗口。

2.2 實(shí)時(shí)頻率預(yù)測(cè)

實(shí)時(shí)選頻預(yù)測(cè)是指利用獨(dú)立的信道探測(cè)系統(tǒng)對(duì)電離層進(jìn)行探測(cè)，測(cè)量和分析電離層各種參數(shù)，再結(jié)合本地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，可得到通信鏈路的最佳頻率。美國(guó)研制的CURTS系統(tǒng)，加拿大研制的CHEC系統(tǒng)和美國(guó)Barry公司開發(fā)出的寬帶Chirp系統(tǒng)等均使用了實(shí)時(shí)頻率預(yù)測(cè)技術(shù)[7]。

實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)可以實(shí)時(shí)地掌握整個(gè)短波頻段的信道情況，可以直接為指定的通信鏈路選擇最優(yōu)的通信頻率。但是由于實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)采用的收發(fā)天饋線系統(tǒng)和技術(shù)體制存在差異，會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)探測(cè)的最佳頻率不一定是通信的最佳頻率。

2.3 自適應(yīng)通信選頻

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，上世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了自適應(yīng)通信選頻技術(shù)[8]。自適應(yīng)通信選頻系統(tǒng)將選頻和通信融為一體，通信系統(tǒng)在通信前或通信間隙中，在通信雙方預(yù)先指定的約定頻率上進(jìn)行雙向探測(cè)，并對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而優(yōu)選當(dāng)前最佳通信頻率，這種技術(shù)稱為鏈路質(zhì)量分析（LQA）。美國(guó)研制的ALQA系統(tǒng)、RF-100系列，德國(guó)研制的CHX200、ARCOTEL系統(tǒng)、HF-850系統(tǒng)等均屬于自適應(yīng)通信選頻系統(tǒng)[9]。

由于自適應(yīng)選頻系統(tǒng)需預(yù)先指定約定頻率且個(gè)數(shù)有限，因此當(dāng)約定頻率失效時(shí)，通信雙方將無(wú)法進(jìn)行溝通。將自適應(yīng)通信系統(tǒng)與專用實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)是未來(lái)的發(fā)展方向。

3 短波通信質(zhì)量的影響因素

短波通信模型如圖1所示：

圖1 短波通信模型

其中Pt表示發(fā)射功率。Gt、Gr分別表示發(fā)射、接收天線的增益。Loss表示電波傳播損耗，是指電波進(jìn)入電離層信道后，在傳輸中的能量損耗。N表示侵入短波信道的各種外部噪聲，包括大氣噪聲、人為噪聲和電臺(tái)干擾。

根據(jù)短波通信模型，接收端信噪比計(jì)算公式如式（1）所示：

由短波通信接收端信噪比計(jì)算公式可知，短波通信質(zhì)量除了與發(fā)射功率、電波傳播損耗和噪聲有關(guān)外，還與收發(fā)天線增益相關(guān)，收發(fā)天線增益越大，通信信噪比越高。

4 天線對(duì)短波頻率選擇的影響

天線的增益是指在同一距離及相同輸入功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax和理想無(wú)方向性天線的輻射功率密度S0之比[10]，具體如式（2）所示：

其中Pin、Pin0分別為實(shí)際天線和理想無(wú)方向性天線的輸入功率。

天線效率定義為天線輻射功率Pr與輸入功率Pin之比[10]，具體如式（3）所示：

天線輻射功率Pr為電偶極子向自由空間輻射的總功率[10]，具體如式（4）所示：

其中l(wèi)為電基本振子的長(zhǎng)度，λ為波長(zhǎng)，I為振子沿線的電流。

在考慮天線效率的情況下，式（2）可變換為：

天線的方向系數(shù)是指在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax和無(wú)方向性天線的輻射功率密度S0之比[10]，用公式（6）表示如下：

其中，θ為子午角，φ為方位角。

將式（3）、式（4）、 式（6）代入式（5），可得：

由式（7）可知，天線的增益系數(shù)與天線仰角、方位角和頻率相關(guān)。不同的通信鏈路，天線的仰角和方位角不同，天線的增益也會(huì)不同，這會(huì)影響通信質(zhì)量。相同的通信鏈路，選擇的頻率不同，天線的增益也會(huì)不同，同樣會(huì)影響通信質(zhì)量。因此， 短波選頻時(shí)需綜合考慮通信鏈路位置和天線架設(shè)的情況。

實(shí)際使用的天線比電基本振子復(fù)雜得多，天線的增益與天線尺寸、架設(shè)的地理環(huán)境等均相關(guān)。在短波選頻時(shí)考慮天線因素的影響可采用以下幾步：

第1步，獲取方向圖：根據(jù)天線實(shí)際架設(shè)條件，采用大型天線仿真工具，得到不同頻率的方向圖。

第2步，存儲(chǔ)天線方向圖：采用三維數(shù)組的方式，存儲(chǔ)頻率、E面、H面3種不同維度對(duì)應(yīng)的增益。

第3步，天線方向圖的使用：計(jì)算信噪比時(shí)根據(jù)通信鏈路收發(fā)仰角、方位角、頻率參數(shù)，在三維數(shù)組中查找相應(yīng)的增益。

第4步，選頻優(yōu)選：根據(jù)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)探測(cè)手段得到通信鏈路的可通頻段，在可通頻段內(nèi)根據(jù)信噪比大小進(jìn)行排序，選擇信噪比高的頻率作為通信頻率。

5 仿真結(jié)果與分析

采用HFSS天線仿真工具對(duì)短波通信常用的寬帶三線天線和寬帶倒V天線進(jìn)行仿真，并計(jì)算在不同仰角、方向角下通信鏈路的信噪比。

圖2給出了寬帶三線天線和寬帶倒V天線在20MHz、10MHz時(shí)的方向圖。從圖2可以看出，不同天線之間存在很大差異，同一天線不同頻率的差異也非常顯著。

圖2 寬帶三線天線和寬帶倒V天線仿真結(jié)果

圖3 以寬帶三線天線為例，展示了考慮天線和不考慮天線情況下鏈路接收點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度。從圖3可以看出，不考慮天線時(shí)，可通段內(nèi)信號(hào)能量隨頻率變化比較穩(wěn)定；考慮天線時(shí)，信號(hào)能量與頻率、天線角度有很大關(guān)系，并不是可通段內(nèi)所有的頻率都能進(jìn)行通信。因此短波通信的頻率選擇，必須考慮天線的影響。

圖3 考慮天線和不考慮天線情況下接收點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析和建模仿真，分析了短波天線對(duì)短波通信質(zhì)量的影響，給出了短波選頻時(shí)考慮天線因素的方法。仿真結(jié)果表明，不同類型的天線，天線方向圖差異很大；通信鏈路信號(hào)強(qiáng)度不僅與頻率相關(guān)，而且與天線角度也有很大關(guān)系。因此在短波通信頻率選擇時(shí)，需考慮天線因素的影響。

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彭愛華：工程師，碩士畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，主要研究方向?yàn)槎滩l譜管理。

于力鵬：碩士研究生就讀于寧波大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、圖形圖像。

陸濤：碩士研究生就讀于寧波大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)。

李木軍：碩士研究生就讀于寧波大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)。

Analysis on Impact of Antenna on HF Frequency Selection

PENG Ai-hua

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

Frequency selection is an important factor to infl uence HF communication quality. The impact of antenna on HF communication quality was theoretically analyzed and HF frequency selection method with antenna factor was presented. Simulation results show that the impact of antenna on HF communication quality was verifi ed. It has an instructive signifi cance to enhance the effectiveness of HF frequency selection.

HF frequency selection HF communication quality antenna adaptive communication frequency selection

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.019

TN929

A

1006-1010(2015)14-0093-04

彭愛華. 天線對(duì)短波選頻的影響分析[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(14): 93-96.

2015-03-31

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn